Limitations des solutions actuelles

Les capteurs à gaz basés sur l'ionisation d'un gaz ou d'un mélange de gaz sont une tech-nologie éprouvée de détection des rayonnements ionisants et des neutrons en milieu dicile. Le Laboratoire de Dosimétrie, Capteurs et Instrumentation (LDCI), anciennement rattaché

aux maquettes critiques Éole et Minerve31 développe des solutions de mesure de ux de

neutrons pour les réacteurs expérimentaux français et étrangers. Le laboratoire dispose d'un atelier de fabrication de chambres à ssion équipé d'une machine de soudage par laser, d'un laboratoire de chimie, d'un appareil de radiographie X, de diverses boîtes à gants et d'un système de pompage-remplissage de gaz à haute pureté. Ces atouts permettent au LDCI de produire des chambres à ssion en petite série avec une vaste gamme de matière ssiles et fertiles.

Le choix de matières ssiles plutôt que du bore ou du lithium dans les chambres d'ionisa-tion permet d'améliorer la discriminad'ionisa-tion du signal neutron de celui généré par les gammas en induisant 10 à 50 fois plus de charges par neutron détecté dans l'espace inter-électrode. N'étant pas une panacée, les chambres d'ionisation se heurtent néanmoins aux problématiques suivantes, étudiées dans ce laboratoire ;

Décharges partielles

Dans un réacteur rapide, la forte température ambiante (jusqu'à 600ºC) change nota-blement les propriétés des matériaux isolants employés dans une chambre à ssion, comme

30. Réacteurs ne produisant que quelques Watts, pour des expériences de physique. 31. 1 kW et 100 W, respectivement, fermés en 2017

l'Alumine. Le phénomène parasite de Décharge Partielle (DP) génère une impulsion d'inten-sité similaire à une collecte de charge réelle et représente un dé pour le suivi neutronique. Ces décharges électriques peuvent être dues à l'avalanche électronique générée par un élec-tron accéléré au-delà du potentiel d'ionisation dans des poches de gaz incrustées dans les isolants électriques [35], comme ceux supportant les électrodes recouvertes de matière ssile. Des champs électriques faibles, de l'ordre de 200 V/mm susent à produire des décharges par-tielles, bien en deçà des tensions de claquage des gaz nobles employés dans l'enceinte gazeuse. Avec l'utilisation d'isolants de grande qualité préalablement dégazés pour la fabrication des CFHT32, les décharges partielles restent un signal parasite rare, de quelques dizaines de coups par seconde mais pouvant générer plus de 50 % des impulsions enregistrées par la chaine de mesure à bas taux de comptage.

Une discrimination du signal induit par les DP s'avère possible par traitement numérique des données [25] [36] d'impulsions produites par la chambre à ssion, permettant de mitiger leur eet. L'utilisation du xénon à la place de l'argon comme gaz de remplissage pour diminuer les décharges à l'intérieur du détecteur semble privilégié pour une utilisation sur ASTRID, mais il produit des impulsions sensiblement plus longues, de l'ordre de 300 ns, et l'impact sur la limite haute du cumulant d'ordre 3 est encore peu étudié. En outre, un gaz adjoint (usuellement de l'azote) visant à réduire la largeur des impulsions n'est pas envisageable vu la décomposition rapide du gaz polyatomique sous l'eet conjugué des radiations et de la chaleur ainsi que sa migration dans les matériaux de la structure.

Des essais menés sur SUPERPHÉNIX ont montré la disparition totale du gaz adjoint dès 3000 h d'irradiation [37]. Cette limitation a poussé à l'adoption de l'argon ou du xénon [38] ultra-pur comme gaz de remplissage exclusif des futures chambres à ssion utilisées en réacteur rapide, et a l'exploitation de leur signal avec les cumulants d'odre 2 et 3.

Perturbation extérieure du signal électrique

Un réacteur de puissance possède son électronique de contrôle-commande loin de la source de rayonnements an de ne pas risquer d'erreurs informatiques et d'assurer une maintenance possible en cas de contamination de l'îlot nucléaire. Le préamplicateur du signal du détecteur de neutron est situé au plus près du passage de dalle, pour éviter que les câbles ne fassent antenne et n'aaiblissent le signal33. Les centaines de mètres de câble nécessaires jusqu'aux automates sont d'autant plus d'antennes pour les perturbations électromagnétiques générées par les nombreuses pompes, ventilateurs et convertisseurs de tension en tout genre. Des impul-sions de haute fréquence (de l'ordre de la centaine de MHz) et de faible amplitude (de l'ordre du micro-ampère) doivent être totalement blindées sur des distances dépassant la centaine de mètre.

Fuite du gaz de la chambre d'ionisation

Les capteurs à gaz sont gonés à basse pression (entre 1 et 15 bars suivant la géométrie) d'un gaz noble de haute pureté.

Les passages étanches, nécessaires à l'introduction des électrodes et des câbles électriques dans 32. Chambre à Fission Haute Température, concues pour des applications en réacteurs rapides.

un capteur à gaz, et l'enveloppe soudée sont autant de points faibles à l'usure. Une fuite lente du à une microssure du capteur réduit peu à peu l'intensité du signal de sortie, ce qui peut, selon le mode de mesure utilisé être interprété comme une irrégularité du ux neutronique dans le c÷ur. Cette information, transmise au contrôle-commande, peut mener à la chute des barres de contrôle sur un c÷ur parfaitement sain, réduisant d'autant plus la disponibilité du réacteur. Si la fuite s'opère lentement, une identication du mécanisme est possible par ana-lyse du signal.

Courant de fuite d'une chambre à ssion

La résistance interne des chambres à ssion est dépendante de la température d'utilisation et du ux de radiation incident, inuant des défauts et des polluants dans les matériaux. À des températures proches de 600ºC, l'alumine se comporte comme un semi-conducteur extrin-sèque [21], du fait de la présence d'impuretés (entre 1% et 3%) et voit sa résistivité fortement chuter. Une chambre à ssion haute-température CFUC07 exploitée sur PHÉNIX passerait d'une résistance de 2.6E+12 Ω à l'ambiante, à 3.7E+7 Ω à 650ºC [39]. Pour compenser ce cou-rant de fuite, un anneau de garde et une paire de conducteurs blindés sont nécessaires, ce qui complexie signicativement le système de mesure et double le nombre de traversées de dalles.

La solution envisagée dès la genèse du projet ASTRID est le recours aux mode de comp-tage d'impulsion et l'exploitation des signaux aux cumulants d'ordre 2 et 3. À haut taux de comptage, au delà de 1E+8 cps, le cumulant d'ordre 3 soure d'un biais sous-estimant le ux réel.

Encombrement général

Placer les détecteurs de neutrons en cuve oblige l'établissement de traversées étanches au sodium à haute température, et au gaz de ciel de pile. Le diamètre d'une traversée de cuve est directement proportionnel à celui de la chambre à ssion sélectionnée. Si un placement hors-c÷ur est retenu, des chambres à ssion comportant 2 ou 3 paires d'électrodes [40] sont requises pour assurer une masse ssile déposée importante (jusqu'à 1.7 grammes pour une CFHT07). Une chambre à ssion optique ne nécessitant pas de polarisation et d'électrodes, un encombrement nal plus réduit est attendu.

Charges d'espace

Le phénomène de charge d'espace est problématique lors de pics de puissance. La concep-tion de ASTRID et les niveaux de ux rencontrés ne provoquent pas ce problème de charge d'espace, mais nous le mentionnons pour le développement de capteurs dédiés aux très forts ux.

Les ions créés lors de l'ionisation le long du trajet de l'ion lourd projectile (fragment de ssion) au sein du gaz peuvent subir des recombinaisons, une diusion et un déplacement induits par le champ électrique de polarisation.

Parce que les ions sont plus lourds que les électrons  d'un facteur de 73E+3 pour l'argon, leur vitesse de dérive est également inférieure de plusieurs ordres de grandeur à celle des élec-trons : leur collecte en est d'autant plus longue.

En cas de fort ux incident de neutrons sur une chambre à ssion, l'accumulation locale des charges positives génère une perturbation du champ électrique autour de la cathode, modiant ainsi la vitesse de dérive des charges et donc la forme et l'amplitude des impulsions. En mode Campbell, si l'on considère la forme d'impulsion constante en fonction du type de particule incidente, l'eet de charges d'espace fausse la mesure. De manière similaire, en mode courant, le courant moyen produit par chaque impulsion se retrouve modié, ce qui induit une déviation de la courbe de réponse de la chambre d'ionisation. Même si une calibration de la chambre permet de corriger à posteriori la linéarité du signal, cet eet contraint fortement la quantité de matière ssile à déposer, et donc la plage de mesure de la chambre à ssion.

Une mitigation de ce phénomène est possible en réduisant la distance inter-électrode, dimi-nuant ainsi le temps de collecte des ions [41].