Procédé de fabrication d'un dispositif de mesure de densité de neutrons
et dispositif obtenu suivant ce procédé
La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif de mesure de densité de neutrons et un dispositif obtenu par ce procédé pouvant servir à la mesure d'un dégagement de chaleur produit par des réactions nucléaires et, par conséquent, à la mesure de l'intensité de la source nucléaire provoquant la réaction.
Dans beaucoup d'applications de la physique nucléaire et de l'énergie atomique, il est important de connaître non seulement la température de la réaction qui a lieu, mais également son intensité du point de vue nucléaire. Dans le cas d'un réacteur, par exemple, il est important de connaître le flux de neutrons existant à un instant donné en un point donné dans le réacteur ou à proximité de celui-ci spécialement pour des buts de régulation et de contrôle.
Un certain nombre de procédés et de dispositifs différents sont utilisés pour mesurer la chaleur produite par une réaction nucléaire ainsi que pour mesurer l'intensité de la réaction en mesurant l'effet de dégagement thermique des particules nucléaires produites par la réaction. Ainsi, dans la mesure du flux de neutrons, on utilise des matières sensibles aux neutrons, telles que le bore ou l'uranium en les exposant au flux de neutrons à mesurer et en mesurant ensuite l'augmentation de température produite par l'interaction de ce flux de neutrons avec le bore ou l'uranium. L'interaction peut consister en une fission nucléaire ou en une simple capture des neutrons puisque la chaleur produite par ces réactions sur beaucoup de matières, lorsqu'on utilise une quantité connue de particules nucléaires d'une certaine éner gie est bien connue.
Les dispositifs courants utilisent des thermopiles ou des séries de thermocouples, dont les soudures chaudes sont recouvertes d'une matière sensible aux neutrons, telle que celles mentionnées ci-dessus.
Tous les dispositifs de ce genre existants ont deux défauts principaux. En premier lieu, le temps de réponse, c'est-à-dire le temps nécessaire pour déceler des changements dans la température et, par conséquent, dans le flux, est relativement grand. Dans la plupart des cas, il est de l'ordre de grandeur d'une seconde, ce qui est beaucoup trop lent pour contrôler un réacteur où des temps de réponse de l'ordre de 0,25 seconde et même moins sont nécessaires.
Un second inconvénient des dispositifs existants est qu'ils utilisent le principe des thermocouples pour mesurer la température et que, par conséquent, il est nécessaire de maintenir la soudure froide à une température constante ou tout au moins de compenser les changements de la température ambiante.
C'est pourquoi on utilise très souvent des instruments fonctionnant sur des principes entièrement différents qui donnent généralement des indications douteuses, tout en étant de grandes dimensions et coûteux.
Le dessin représente, à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution du dispositif de mesure de la densité des neutrons.
Le procédé, objet du présent brevet, est caractérisé en ce qu'on établit une couche d'une matière sensible thermiquement aux neutrons, une barrière thermique en matière thermiquement isolante et une source froide, en ce qu'on place un élément thermoélectrique capable d'engendrer une différence de potentiel électrique et comprenant deux matériaux différents propres à former une soudure chaude et une soudure froide, avec leurs soudures situées de part et d'autre de la barrière thermique, la soudure chaude étant placée sur la couche de matière sensible aux neutrons et la soudure froide étant placée sur la source froide, le tout de façon que le courant engendré par l'élément thermique soit proportionnel à la quantité de neutrons dirigée contre la matière sensible aux neutrons.
Le dispositif de mesure de densité de neutrons obtenu par ce procédé suivant l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend une barrière thermique, un élément thermoélectrique adjacent à au moins deux faces opposées de la barrière thermique pour pouvoir mesurer la différence de température régnant entre ces deux faces de la barrière thermique, une couche de matière sensible thermiquement aux neutrons adjacente à une face de la barrière thermique et de l'élément thermique et une source froide adjacente à l'autre face de la barrière thermique et de l'élément thermique.
La fig. 1 est une coupe longitudinale, en partie schématique, d'une première forme d'exécution;
la fig. 2 est une coupe longitudinale, en partie schématique, d'une autre forme d'exécution;
la fig. 3 est un schéma en perspective montrant une thermo-pile et une résistance thermique;
la fig. 4 est une coupe longitudinale en partie schématique montrant la forme d'exécution de la fig. 2 utilisant des thermo-piles de la fig. 3
la fig. 5 est un schéma montrant comment les éléments de thermo-couples des fig. 2 ou 4 peuvent être reliés ensemble pour former une thermo-pile
la fig. 6 est une coupe transversale en partie schématique suivant la ligne 6-6 de la fig. 7;
la fig. 7 est une coupe longitudinale suivant la ligne 7-7 de la fig. 6;
la fig. 8 est une courbe montrant la réponse dans le temps d'un dispositif pour différentes épaisseurs de résistance thermique;
la fig. 9 est une courbe montrant le courant de sortie en fonction du flux neutronique pour une forme d'exécution du dispositif.
En général, on utilisera une résistance thermique en une matière thermiquement isolante placée dans le courant de chaleur dont on désire mesurer le dégagement, les soudures chaudes et froides d'un thermocouple étant placées aux côtés opposés de ladite résistance en sorte que, en mesurant la chute de température à travers la barrière, on détermine effectivement la quantité de chaleur qui s'écoule à travers cette matière.
En combinant ceci avec une couche très mince de matière sensible aux neutrons choisie et formée spécialement d'un côté de la barrière et en utilisant des éléments de thermocouples de construction spéciale, les titulaires ont constaté qu'on obtient une réponse très rapide au changement du flux neutronique et avec les dispositions montrées, cette réponse est sensiblement indépendante de la température ambiante.
Dans la fig. l, la référence 1 1 représente une flux de neutrons que l'on désire mesurer et la référence 12 un matériau très fortement isolant à l'égard de la chaleur, choisi et agencé pour convenir à la température, à la pression et à d'autres conditions d'une application donnée.
Le dispositif de mesure de chaleur proprement dit est essentiellement un sandwich comprenant d'abord une couche très mince de matière 13 sensible aux neutrons telle que du bore10, de L'uranium 235 ou de l'oxyde d'uranium (U4) enrichi en isotope U-235. Cette couche est en contact étroit avec la soudure chaude 15 d'un thermo-couple 16 qui est à son tour en contact étroit avec la résistance thermique 14 constitue par une couche relativement mince de matière alliant une faible conductivité thermique à une faible capacité thermique, telle que le quartz.
La soudure froide 15A du thermo-couple est en contact étroit avec la face opposée de la résistance thermique 14 et avec la source froide 18 qui est constituée par une masse métallique de grande capacité thermique telle que de l'acier inoxydable ou de l'aluminium.
Dans la disposition montrée à la fig. 1, la couche 13 sensible aux neutrons ainsi que les éléments de thermo-couples 16 sont d'une épaisseur de 0,0254mm à 0508 mm environ. Les thermocouples comprennent des combinaisons d'argentconstantan, de cuivre-constantan ou d'antimoine platine. Les couches minces nécessaires peuvent être produites par diverses techniques de revêtement telles que le dépôt plar vapeur, le dépôt cataphorétique, et l'électro-placage, assurant un bon contact entre les couches du sandwich. On peut également fabriquer une série de thermo-couples en appliquant d'abord une couche mince de matière à thermocouple. On obtient ainsi un thermo-couple ou une thermo-pile simple. Un seul élément 16 est appliqué sur la résistance 14.
Pour obtenir une série de thermo-couples, une partie de la matière est enlevée de la résistance 14 de manière à laisser un espace et à former ainsi deux éléments de thermo-couple.
Dans l'utilisation du dispositif montré à la fig. 1 de la chaleur est engendrée par l'action des neutrons sur la matière 13 sensible aux neutrons, et cette chaleur est proportionnelle au flux de neutrons 11. Le thermo-couple 16 répond à la différence de température à travers la barrière thermique 14 dont l'épaisseur est de l'ordre de 0,254 mm. La force électromotrice totale engendrée par tous les thermocouples 16 constituant la thermopile est proportionnelle au taux d'écoulement de chaleur à travers la barrière thermique 14 et, par suite, au flux de neutrons 11. Un appareil de mesure (non montré) qui peut être du type galvanomètre ou d'un autre type est relié. aux conducteurs 17 et peut être taré de toute façon convenable.
Comme l'on mesure seulement la différence des températures d'un côté à l'autre du dispositif de mesure de chaleur, I'indication du dispositif est indépendante des changements de la température ambiante.
La forme de réalisation de la fig. 2 comprend deux couches de matière 23 sensible aux neutrons disposées dos à dos avec 2 résistances thermiques correspondantes 24 et deux jeux de thermo-couples 26 ayant leurs soudures chaude et froide respectives en 25 et 25a comme montré, le tout enfermé dans un boîtier protecteur convenable 28 qui sert aussi de source froide. Les indications de sortie des deux jeux de thermo-couples sont ajoutées pour obtenir le taux total d'écoulement de chaleur en les reliant comme montré à la fig. 5 où les éléments individuels 51 et 52 forment les soudures chaudes 55 et les soudures froides 55a, la différence de potentiel totale étant lue aux conducteurs terminaux 57.
Un écran à l'égard de rayonnement thermique (non montré) peut être utilisé pour adapter le dispositif à toutes circonstances thermiques données.
Un mode de construction préféré de thermo-pile et de résistance thermique est montré à la fig. 3 oil les thermo-piles sont formées par des fils ayant un diamètre de l'ordre de 0,0254 mm à 0,0508 mm, enroulés autour d'une couche de matière de faible conductivité formant la barrière thermique 34. Les éléments de thermo-couples sont formés en plaquant, sur la moitié 32 de chaque section de fil entourant la matière, un second métal de conductivité électrique plus grande que celle du fil et capable d'engendrer un potentiel thermoélectrique avec le fil. Les soudures chaude et froide d'une telle thermo-pile sont formées au dernier point de contact du placage et du fil, au bord du placage, comme montré en 35 et 35A.
Les formes représentées ont une durée de vie beaucoup plus longue que beaucoup de dispositifs comparables actuellement en usage.
Le mode de construction préféré de la thermopile et de la résistance thermique de la fig. 3, en combinaison avec la forme de réalisation de la fig. 2, est montré à la fig. 4.
Une variante qui utilise une source froide présentant une forme cylindrique au lieu d'une forme plate est montrée à la fig. 6 et à la fig. 7. A la fig. 6, 1'élément de forme cylindrique ayant un revêtement 63 de matière sensible aux neutrons est disposé concentriquement dans une résistance thermique 64 creuse de forme cylindrique et dans une boîte de métal 68.
Les soudures chaudes 65 et soudures froides 65a des thermo-piles sont disposées en sandwich entre des sections concentriques comme montré. Un appareil de mesure (non représenté) est relié aux conducteurs 77.
En utilisant les formes de réalisation de la fig. 2 et de la fig. 4, dans lesquelles la barrière thermique est en quartz et a une épaisseur de 0,1778 mm environ, la couche sensible aux neutrons est du bore-l0 et a une épaisseur de 0,0254 mm, la source froide est en acier inoxydable et a une épaisseur de
6.35 mm environ et les thermo-couples sont construits en argent-constantan ou en antimoine-platine comme montré à la fig. 3, on peut obtenir une réponse dans le temps de moins de 25 millisecondes.
Pour d'autres épaisseurs de la barrière thermique le temps de réponse est tel que montré à la fig. 8.
Sur cette figure, on a porté en abscisses l'épaisseur de la barrière thermique en unités de 25,4 mm et en ordonnées le temps de réponse en millisecondes
I'indication R montre les temps de réponse obtenus.
La tension de sortie constituant le signal obtenu aux bornes 57 du dispositif de la fig. 5, construit selon la fig. 4 avec une barrière thermique ayant une épaisseur de 0,1778 mm et utilisant 100 éléments 51 et 52 dans chacune des deux thermo-piles avec une couche sensible aux neutrons à la fois de bore-l0 et d'U;3O8 enrichi en isotope U-235 est représentée à la fig. 9. Sur cette figure, le flux de neutrons, en neutrons par cm2/seconde, est porté en abscisse tandis que la tension de sortie constituant le signal est portée en millivolts, en ordonnée.
L'indication B signifie la couche de B10 et l'indication C signifie une couche de U,O, enrichi en isotope U-235. On peut ainsi mesurer des neutrons d'énergie variant très largement.
REVENDICATIONS
I. Procédé de fabrication d'un dispositif de mesure de densité de neutrons, caractérisé en ce qu'on établit une couche d'une matière sensible thermiquement aux neutrons, une barrière thermique en matière thermiquement isolante et une source froide, en ce qu'on place un élément thermoélectrique capable d'engendrer une différence de potentiel électri.- que et comprenant deux matériaux différents propres à former une soudure chaude et une soudure froide, avec leurs soudures situées de part et d'autre de la barrière thermique, la soudure chaude étant placée sur la couche de matière sensible aux neutrons et la soudure froide étant placée sur la source froide, le tout de façon que le courant engendré par l'élément thermique soit proportionnel à la quantité de neutrons dirigée contre la matière sensible aux neutrons.
Method of manufacturing a neutron density measuring device
and device obtained according to this process
The present invention relates to a method of manufacturing a device for measuring neutron density and a device obtained by this method which can be used for measuring a release of heat produced by nuclear reactions and, consequently, for the measurement. measurement of the intensity of the nuclear source causing the reaction.
In many applications of nuclear physics and atomic energy, it is important to know not only the temperature of the reaction taking place, but also its intensity from a nuclear point of view. In the case of a reactor, for example, it is important to know the flux of neutrons existing at a given instant at a given point in the reactor or near it, especially for purposes of regulation and control.
A number of different methods and devices are used to measure the heat produced by a nuclear reaction as well as to measure the intensity of the reaction by measuring the heat release effect of nuclear particles produced by the reaction. Thus, in the measurement of neutron flux, neutron sensitive materials, such as boron or uranium, are used by exposing them to the neutron flux to be measured and then measuring the temperature increase produced by the interaction of this neutron flux with boron or uranium. The interaction can consist of nuclear fission or a simple capture of neutrons since the heat produced by these reactions on many materials, when using a known quantity of nuclear particles of a certain energy is well known.
Current devices use thermopiles or series of thermocouples, the hot welds of which are coated with a material sensitive to neutrons, such as those mentioned above.
All existing devices of this kind have two main drawbacks. In the first place, the response time, that is, the time required to detect changes in the temperature and, therefore, in the flux, is relatively large. In most cases, it is on the order of magnitude of a second, which is far too slow to control a reactor where response times of the order of 0.25 seconds and even less are required.
A second drawback of existing devices is that they use the principle of thermocouples to measure the temperature and that, therefore, it is necessary to maintain the cold junction at a constant temperature or at least to compensate for changes in the ambient temperature.
This is why very often instruments are used which operate on entirely different principles which generally give questionable indications, while being large and expensive.
The drawing shows, by way of example, several embodiments of the device for measuring the density of neutrons.
The method, object of the present patent, is characterized in that one establishes a layer of a material thermally sensitive to neutrons, a thermal barrier of thermally insulating material and a cold source, in that one places a thermoelectric element capable of '' generate a difference in electric potential and comprising two different materials suitable for forming a hot weld and a cold weld, with their welds located on either side of the thermal barrier, the hot weld being placed on the layer of material sensitive to neutrons and the cold junction being placed on the cold source, the whole so that the current generated by the thermal element is proportional to the quantity of neutrons directed against the matter sensitive to the neutrons.
The neutron density measuring device obtained by this method according to the invention is characterized in that it comprises a thermal barrier, a thermoelectric element adjacent to at least two opposite faces of the thermal barrier in order to be able to measure the temperature difference prevailing. between these two faces of the thermal barrier, a layer of thermally sensitive material to neutrons adjacent to one face of the thermal barrier and of the thermal element and a cold source adjacent to the other face of the thermal barrier and of the element thermal.
Fig. 1 is a longitudinal section, partly schematic, of a first embodiment;
fig. 2 is a longitudinal section, partly schematic, of another embodiment;
fig. 3 is a perspective diagram showing a thermo-cell and a thermal resistance;
fig. 4 is a partly schematic longitudinal section showing the embodiment of FIG. 2 using thermo-batteries of fig. 3
fig. 5 is a diagram showing how the thermocouple elements of FIGS. 2 or 4 can be linked together to form a thermo-stack
fig. 6 is a partly schematic cross section taken on line 6-6 of FIG. 7;
fig. 7 is a longitudinal section taken along line 7-7 of FIG. 6;
fig. 8 is a curve showing the response over time of a device for different thicknesses of thermal resistance;
fig. 9 is a curve showing the output current as a function of the neutron flux for one embodiment of the device.
In general, use will be made of a thermal resistor of a thermally insulating material placed in the heat stream whose release it is desired to measure, the hot and cold welds of a thermocouple being placed at opposite sides of said resistor so that, by measuring the drop in temperature across the barrier, the amount of heat that flows through that material is effectively determined.
By combining this with a very thin layer of specially selected and formed neutron sensitive material on one side of the barrier and using specially constructed thermocouple elements, the incumbents have found that a very rapid response to the change in temperature is obtained. neutron flux and with the arrangements shown, this response is substantially independent of the ambient temperature.
In fig. 1, the reference 1 1 represents a flux of neutrons that it is desired to measure and the reference 12 a very highly insulating material with regard to heat, chosen and arranged to suit the temperature, the pressure and the other conditions of a given application.
The actual heat measurement device is essentially a sandwich comprising first a very thin layer of material 13 sensitive to neutrons such as boron10, uranium 235 or uranium oxide (U4) enriched in isotope U-235. This layer is in close contact with the hot solder 15 of a thermocouple 16 which in turn is in close contact with the thermal resistance 14 constitutes a relatively thin layer of material combining low thermal conductivity with low thermal capacity, such as quartz.
The cold junction 15A of the thermocouple is in close contact with the opposite face of the thermal resistance 14 and with the cold source 18 which consists of a metal mass of high thermal capacity such as stainless steel or aluminum. .
In the arrangement shown in fig. 1, the layer 13 sensitive to neutrons as well as the thermocouple elements 16 are of a thickness of approximately 0.0254 mm to 0508 mm. Thermocouples include combinations of constant silver, copper-constantan, or platinum antimony. The necessary thin layers can be produced by various coating techniques such as vapor deposition, cataphoretic deposition, and electro-plating, ensuring good contact between the layers of the sandwich. A series of thermo-couples can also be made by first applying a thin layer of thermocouple material. We thus obtain a thermocouple or a simple thermo-pile. A single element 16 is applied to resistor 14.
To obtain a series of thermo-couples, part of the material is removed from the resistor 14 so as to leave a space and thus form two thermo-couple elements.
In the use of the device shown in FIG. 1 of the heat is generated by the action of neutrons on matter 13 sensitive to neutrons, and this heat is proportional to the flux of neutrons 11. The thermocouple 16 responds to the temperature difference through the thermal barrier 14 whose l thickness is of the order of 0.254 mm. The total electromotive force generated by all the thermocouples 16 constituting the thermopile is proportional to the rate of heat flow through the thermal barrier 14 and, therefore, to the flow of neutrons 11. A measuring device (not shown) which can be used. galvanometer type or other type is connected. to conductors 17 and can be tared anyway suitably.
Since only the difference in temperatures from one side of the heat measuring device to the other is measured, the indication of the device is independent of changes in ambient temperature.
The embodiment of FIG. 2 comprises two layers of neutron sensitive material 23 arranged back to back with 2 corresponding thermal resistors 24 and two sets of thermo-couples 26 having their respective hot and cold welds at 25 and 25a as shown, all enclosed in a suitable protective case 28 which also serves as a cold source. The output indications of the two sets of thermo-couples are added to obtain the total rate of heat flow by connecting them as shown in fig. 5 where the individual elements 51 and 52 form the hot welds 55 and the cold welds 55a, the total potential difference being read at the terminal conductors 57.
A shield against thermal radiation (not shown) can be used to adapt the device to any given thermal circumstances.
A preferred method of construction of thermo-cell and thermal resistance is shown in fig. 3 where the thermo-cells are formed by wires having a diameter of the order of 0.0254 mm to 0.0508 mm, wound around a layer of material of low conductivity forming the thermal barrier 34. The thermo elements -couples are formed by plating, on half 32 of each section of wire surrounding the material, a second metal of greater electrical conductivity than that of the wire and capable of generating a thermoelectric potential with the wire. The hot and cold welds of such a thermo-cell are formed at the last point of contact of the plating and the wire, at the edge of the plating, as shown at 35 and 35A.
The shapes shown have a much longer life than many comparable devices currently in use.
The preferred method of construction of the thermopile and thermal resistance of FIG. 3, in combination with the embodiment of fig. 2, is shown in fig. 4.
A variant which uses a cold source having a cylindrical shape instead of a flat shape is shown in fig. 6 and in fig. 7. In fig. 6, the cylindrical shaped member having a coating 63 of neutron sensitive material is disposed concentrically in a cylindrical hollow heat resistor 64 and in a metal box 68.
The hot welds 65 and cold welds 65a of the thermo-cells are sandwiched between concentric sections as shown. A measuring device (not shown) is connected to the conductors 77.
Using the embodiments of FIG. 2 and fig. 4, wherein the thermal barrier is quartz and has a thickness of about 0.1778mm, the neutron sensitive layer is boron-10 and has a thickness of 0.0254mm, the cold source is stainless steel and has a thickness of
6.35 mm approximately and the thermocouples are made of silver-constantan or antimony-platinum as shown in fig. 3, we can get a response in time of less than 25 milliseconds.
For other thicknesses of the thermal barrier the response time is as shown in fig. 8.
In this figure, the thickness of the thermal barrier in units of 25.4 mm has been plotted on the abscissa and the response time in milliseconds on the ordinate.
The indication R shows the response times obtained.
The output voltage constituting the signal obtained at the terminals 57 of the device of FIG. 5, constructed according to fig. 4 with a thermal barrier having a thickness of 0.1778 mm and using 100 elements 51 and 52 in each of the two thermo-cells with a layer sensitive to neutrons of both boron-10 and U; 3O8 enriched in isotope U -235 is shown in fig. 9. In this figure, the neutron flux, in neutrons per cm2 / second, is plotted on the abscissa while the output voltage constituting the signal is plotted in millivolts, on the ordinate.
The indication B means the layer of B10 and the indication C means a layer of U, O, enriched in the isotope U-235. We can thus measure neutrons of widely varying energy.
CLAIMS
I. A method of manufacturing a neutron density measuring device, characterized in that there is established a layer of a material thermally sensitive to neutrons, a thermal barrier of thermally insulating material and a cold source, in that a thermoelectric element is placed capable of generating an electric potential difference and comprising two different materials suitable for forming a hot weld and a cold weld, with their welds located on either side of the thermal barrier, the weld hot being placed on the layer of material sensitive to neutrons and the cold junction being placed on the cold source, the whole so that the current generated by the thermal element is proportional to the quantity of neutrons directed against the material sensitive to neutrons.