Calorimétrie à haute température. Application à la détermination de l'énergie de guérison de BeO irradié aux neutrons

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Calorimétrie à haute température. Application à la

détermination de l’énergie de guérison de BeO irradié

aux neutrons

André Roux, Marc Richard, Lucien Eyraud, Jean Elston

To cite this version:

51

CALORIMÉTRIE

A HAUTE

TEMPÉRATURE

APPLICATION A LA

DÉTERMINATION

DE

L’ÉNERGIE

DE

GUÉRISON

DE BeO IRRADIÉ AUX NEUTRONS Par ANDRÉ

_ROUX,

MARC

_RICHARD,

LUCIEN EYRAUD et JEAN

_ELSTON,

Institut

National

des Sciences

_Appliquées

de _Lyon, Commissariat à

_l’Énergie

_Atomique.

Résumé. 2014

L’énergie Wigner de _BeO, irradié à une _température modérée inférieure à 100 °C dans un réacteur, est très faible et sa mesure ne _peut être effectuée _{par les} méthodes _{calorimétriques} classiques. Une nouvelle méthode _{calorimétrique} à _compensation a _permis vers 1 200 °C de déter-miner l’ordre de _grandeur de cette _énergie.

Abstract. 2014 The

Wigner energy of BeO irradiated

by

fast neutrons at moderate _temperatures

is very small and cannot be measured _by classical calorimetric methods. A new _compensated calo-rimetric method has _given useful results at 1 200 °C.

PHYSIQUE APPLIQUÉE TOME _25, MARS _1964, PAGE

La mesure directe des variations

_{d’enthalpie}

_qui

se

_produisent

au cours de transformations

irréver-sibles peu

énergétiques

s’étalant dans un domaine

très étendu de

_{température, présente}

de sérieuses

difficultés comme le montre l’étude de

_l’énergie

Wigner

de

_l’oxyde

de

_beryllium

_{[1], [2].}

La

_guérison

de ce matériau irradié par les neutrons

_présente

les

caractéristiques

suivantes :

1. La transformation

_qui

se

produit

_par

éléva-tion de

_température

est irréversible. Un même

échantillon ne

_permet

donc de faire

qu’une

seule

mesure. Il faut par

_conséquent

un

appareillage

sûr

et

_{préalablement}

étalonné.

2. La transformation est _peu

_{énergétique}

d’où la nécessité de mettre en oeuvre un

_appareil

très

sen-sible.

3. La libération

_d’énergie

est continue dans un

domaine de

_température

très étendu.

_(De

la

tem-pérature

ambiante jusqu’à

1300 OC

_environ.)

L’ap-pareillage

doit donc fonctionner avec sécurité dans _ ce même domaine de

_{température,}

et cette

condi-tion est de

_beaucoup

la

_plus

difficile à satisfaire.

Dispositif

calorimétrique

utilisé. - Le schéma du

_dispositif

est donné

_{(fig. 1).}

Les détails de

cons-truction ont été

_{précédemment publiés}

_{[3], [4].}

Deux tubes

_cylindriques

minces en alumine

frittée,

constituant les cellules laboratoire et témoin sont

_placés

dans l’axe de deux alvéoles

_cylindriques

usinées dans un bloc de matériau réfractaire.

(par

exemple

en

_BeO).

Ces deux tubes sont _{reliés par} une

_pile

de

détec-tion

_{thermoélectrique}

_supportant

70

thermo-couples

différentiels et

_placée

dans un

_plan

conte-nant les axes des deux cellules. Les soudures des

couples

thermoélectriques

sont maintenues en

con-tact

_thermique

avec les deux cellules à l’aide d’un ciment réfractaire.

Le

_dispositif

_{calorimétrique}

_proprement

dit est

commun aux différentes

techniques

de mesures utilisées et

_exposées

ci-dessous.

FIG. 1. - Calorimètre.

I.

_Analyse

_thermique

dîfférentielle

_,dynamique.

- A l’intérieur d’une des cellules du bloc

d’analyse

thermique

différentielle

_{préalablement étalonné,}

on

dispose

l’échantillon à étudier. Dans l’autre cellule

on

_place

l’échantillon témoin. On fait subir à

l’en-semble une montée linéaire en

_{température,}

en

enregistrant,

en fonction du

_temps,

la force

élec-tromotrice différentielle de la

_pile

de détection. La

courbe ainsi obtenue

_{(thermogramme)}

s’écarte de la courbe de référence

_(courbe

obtenue à la même vitesse de montée en

_température

avec un

échan-tillon témoin dans la cellule

_laboratoire)

d’une valeur

_qui

à

_chaque

instant

_{correspond (compte}

tenu de

_{l’étalonnage)}

à

_l’énergie

_dégagée

ou

absor-bée par l’échantillon à étudier.

De nombreux essais effectués à l’aide de

52

rents blocs

_d’analyse

_thermique

différentielle

_(en

acier

_{réfractaire,}

en

_alumine,

en

_oxyde

de

beryl-lium)

nous _{ont montré que} les fluctuations

inévi-tables de la force électromotrice

_{thermoélectrique}

enregistrée

en montée de

_température

à

_partir

de

900°C étaient suffisamment

_importantes

_pour masquer le

phénomène

et ceci

malgré

une

sensi-bilité de l’ordre de 2 X 10-4

_cs-1/mm

d’élonga-tion à 900°C. Ces

_expériences

montrent d’autre

part

que la

guérison

de

l’oxyde

de

beryllium

ne se

fait avec une vitesse

appréciable qu’au-dessus

de 900°C. A des

_{températures}

_plus

_basses,

la libé-ration

_d’énergie

s’étale

_beaucoup

_trop

dans le

_temps

pour être mesurable ou même

simplement

déce-lable. De ce

_fait,

la méthode

d’analyse thermique

différentielle

_dynamique

ne conduit à aucun

résul-tat dans le cas de BeO. Pendant les heures de

chauffage

nécessaires pour atteindre et

dépasser

900 °C,

la

_guérison

_{s’effectue peu à} peu et la faible

quantité

de chaleur

_qu’elle

met en

jeu

n’est pas

mesurable.

II.

Analyse

thermique

différentielle

_balistique.

- Il

nous a donc paru

indispensable

d’utiliser une

technique

de mesure

rapide intégrant

en une courte

durée

_l’énergie

de

_{guérison susceptible}

d’être libérée dans un intervalle de

_température

(To -

TF)

le

plus grand

possible

où TF est la

_température

du

dispositif

calorimétrique

et

_To

la

_température

initiale de l’échantillon.

Pour

_cela,

il suffit en

_principe

de

_porter

le

dispo-sitif

_{calorimétrique}

à la

_température

fixe TF _que

nous avons

_prise

voisine de 1 200°C et d’introduire l’échantillon dans la cellule laboratoire.

(Méthode

de

_trempe.)

Les

_échanges

_thermiques

entre l’échantillon et le calorimètre se traduisent par une force

électro-motrice différentielle instantanée dont

_{l’intégrale}

représente

pour la

première

expérience,

deux effets simultanés :

1.

_Passage

de l’échantillon de la

_température

initiale

_To

_(qui

_peut

être la

_{température ambiante)}

à la

_température

TF du

_{calorimètre,}

ce

_qui

corres-pond

à

_{l’énergie Eo}

_{(phénomène endothermique).}

2. Guérison du matériau sous l’influence de

l’élévation de

_{température,}

ce

qui correspond

à

l’énergie E (phénomène exothermique

et

irréver-sible).

L’expérience

montre _{que la durée du}

_premier

thermogramme

ainsi obtenu

_(environ

15 minutes à

_{1 200°C}

est _{suffisante pour libérer la}

_plus

_grande

partie

de

_l’énergie

_emmagasinée

dans le matériau

pendant

l’irradiation.

_Donc,

au cours des

expé-riences suivantes réalisées dans des conditions

ri-goureusement

identiques

avec le même

échantillon,

seule

_{l’énergie Eo}

se manifeste.

MONTAGE EXPÉRIMENTAL. - La

_figure

2

repré-sente le

_montage.

Deux tubes

_longs

en alumine

frittée sont

_placés

dans les deux cellules. L’échan.

tillon, suspendu

à un

_fil,

est

_plongé

dans la cellule laboratoire du calorimètre par l’un des deux tubes. Avant la

_plongée,

l’échantillon est

_suspendu

dans

une enceinte isotherme en laiton maintenue à la

température

To.

REPRODUCTIBILITÉ DES EXPÉRIENCES. - Pour

que des mesures

_précises

soient

_possibles,

il est

évidemment

_{indispensable}

_{que les}

_{thermogrammes}

obtenus dans des conditions bien définies avec un

échantillon non

actif,

soient

reproductibles.

Cela

implique

que les

plongées

identiques

donnent lieu à des

_échanges

_thermiques

_identiques

dans la cel-lule laboratoire. Les meilleurs résultats ont été

obtenus de la manière suivante :

_{l’échantillon,}

de

forme

_cylindrique

_(diamètre

_{4 mm,}

_longueur

20

_mm)

est

_placé

dans une nacelle en

_platine

de diamètre intérieur 4 mm. Au fond du tube de descente en

alumine est

_disposé

un

_réceptacle

_cylindrique

_(de

diamètre intérieur 7

_mm),

en

_{platine également,}

qui

n’est en contact avec le tube d’alumine

_qu’à

ses deux

_{extrémités,}

et dans

_lequel

tombe la nacelle

(fi g. 2).

FIG. 2.

Cet écran

_thermique

_régularise

la

_répartition

des

températures

dans la cellule laboratoire et favorise la

_{reproductibilité}

des

_{expériences.}

MÉCANISME AUTOMATIQUE DE PLONGÉE DES

ÉCHANTILLONS. - Il est

toujours

de la même

_façon

_{pour que} l’échauffement

du

_matériau

soit

_identique

à l’arrivée. Pour

_cela,

un mécanisme

_automatique

de

_plongée

a été

ins-tallé,

permettant

une descente très

_régulière

en

quelques

secondes. Le schéma de

_principe

du

mon-tage

est

_représenté

_{fig. 3).}

Suivant la

_position

du

FIG. 3,

contacteur,

le moteur

_peut

tourner dans un sens ou

dans l’autre. Il n’est mis en _{marche que si la}

cel-lule

_{photorésistante correspondant}

au sens de rota-tion

_possible,

est éclairée. Il tourne alors

_jusqu’à

ce

_qu’un

_{corps opaque, lié à} son

_mouvement,

inter-rompe l’éclairement de la cellule. En écartant

plus

ou moins les deux

cellules,

on

_peut

_régler

les

posi-tions initiale et finale de l’échantillon.

RÉSULTATS OBTENUS AVEC CE DISPOSITIF. - La force éleétromotrice différentielle de la

_pile

thermo-électrique

est

_enregistrée

à l’àide d’un suiveur de

spot

Sefram

_Graphispot.

La

_figure

4 montre un

thermograrrlme

obtenu lors de la

_plongée

d’un échantillon irradié

_{(trait plein).}

Le trait en

poin-tillé

_représente

le

_thermogramme

du même échan-tillon

_{après guérison.}

Avec des échantillons irradiés à une dose

_comprise

entre 1019 et 102° nr.cm

(neutrons

d’énergie supérieure

à 1

_MeV),

les

expé-riences

précédentes

ont

_dPPné

_{des résultats peu}

FIG. 4. -

Termogrammes non _compensés.

précis.

Un seul échantillon

_(D

₉₇₎

irradié à une

température

voisine de 400 °C à une dose de

2 X 1020 nr . cm-2 a

produit

un

_dégagement

impor-tant

_{d’énergie qui}

a _{pu être évalué} en étalonnant le

dispositif

à l’aide de

_surcharges

en nickel. La

chaleur

_spécifique

du

_nickel,

dans cette _{gamme de}

températures

est _{donnée par} MacAdams

_[5].

Cette

expérience

a conduit à une valeur de

l’énergie

Wigner

de 528

_c/mole

à 30

_%

_près.

Les deux

thermogrammes

de la

_figure

4 montrent la faible

différence des aires et _{par suite la difficulté d’une} détermination

_précise

de

_{l’énergie Wigner}

_par cette

méthode. Pour cette

_raison,

nous avons mis au

point

un

dispositif calorimétrique

isotherme à

com-pensation.

III.

_Dispositif

de

_{compensation.}

- PRINCIPE. -L’aire

_S,

du

_{premier thermogramme}

obtenu est la

somme

algébrique

de deux aires : 1

S2 correspondant

à

_{l’énergie E° (environ}

101

_%

de

_{S 1) ;}

s

_{correspondant}

à

l’énergie

Wigner

E

(aire

utile).

L’aire s =

S2

-

Si

est donc nécessairement très

petite

(1

%

de l’aire

_{enregistrée)}

et difficile à

mesurer dans ces conditions. Le

_problème

essentiel

consiste à éliminer le « fond continu »

S2

dû à

l’énergie E.

pour ne conserver _que l’aire utile s.

On pourra alors

enregistrer

celle-ci avec une

sensi-bilité

_plus

élevée et la rendre de ce fait nettement

plus

étendue et facile à

_{planimétrer.}

Dans ce

_but,

on

_peut

chercher à _compenser

S2

par deux méthodes : : soit en

_envoyant

dans une

résistance

_placée

dans la cellule

laboratoire,

une

54

à la force électromotrice

_{thermoélectrique}

du calori-mètre une force électromotrice extérieure suivant la même loi horaire

_{(compensation extérieure).}

La

_première

méthode devient

_rapidement

inuti-lisable au-dessus de 1 000 OC. En

effet,

matériaux

réfractaires,

air ambiant deviennent alors

conduc-teurs

_{électriques,}

tout au _{moins suffisamment pour}

perturber

les mesures _{par influence directe} sur le

détecteur

_{thermoélectrique}

du calorimètre. Par

contre,

la seconde

_méthode,

insensible à ces

_effets,

fonctionne très bien à haute

_{température.}

Deux

montages

très différents ont été mis au

point

sur ce

principe.

1. DISPOSITIF DE COMPENSATION PAR CIRCUIT

ÉLECTRIQUE ÉQUIVALENT.

- Pour

interpréter

les

échanges

de chaleur

_qui

se

_produisent

dans le

calo-rimètre lors de

_{l’échantillon,}

on

_peut

utiliser la

représentation

simplifiée

de la

_figure

5

_qui

donne pour la force électromotrice

thermoélectrique

e,

FIG. 5.

FIG. 6.

FiG.7.

une

_expression

_approchée

de la courbe

expérimen-tale. La

_décharge

du condensateur

_Cl

dans le circuit de la

_{figure 6,}

fait

_apparaître,

dans la

résis-tance

_R2

un courant i dont la variation en fonction

du

_temps

suit une loi semblable à celle de e.

Nous avons tout d’abord cherché les valeurs des éléments de ce circuit

_permettant

d’obtenir une

courbe artificielle semblable à la courbe

expéri-mentale. Des améliorations successives nous ont conduits aux schémas des

_figures

7 et 8.

FIG. 8.

Résultats obtenus. - La

figure

9 montre un

enregistrement

obtenu par cette méthode. La

coin-pensation

n’étant

_{qu’approchée,}

la courbe fluctue

FIU. 9. -

Thermogramme compensé (1re et 2e _plongée de l’échantillon G _867).

FIG. 10. - Courbe

autour du zéro. On mesure la différence d’aire

entre deux

_{thermogrammes compensés}

en tenant

compte

du

_signe

des surfaces.

_{L’étalonnage}

a été

obtenu au _{moyen de différentes}

_surcharges

en

alumine dont la chaleur

_spécifique

est _{donnée par}

Kelley [6].

La

_figure

10 montre _{que la courbe}

d’étalonnage

est linéaire dans le domaine d’utili-sation du calorimètre.

Nous avons effectué des mesures sur des

éprou-vettes en BeO à

_0,6

_%

de CaO irradié

_ayant

_reçu

respectivement

des doses

_comprises

entre

_0,6

X 1019

et 4 x 1019 Dr. cm-2

_(neutrons

d’énergie

_supérieure

à 1

_{MeV, température}

d’irradiation des échantillons inférieure à 100

°C).

Le tableau 1 et la

_figure

12

groupent

les résultats obtenus avec ce

_dispositif.

TABLEAU 1

2. DISPOSITIF DE COMPENSATION A MÉMOIRE. -La

_{compensation précédente}

ne fournissant

_qu’une

approximation

du

_thermogramme

_{correspondant}

au fond

continu,

il nous a _{paru intéressant de}

per-fectionner la

_{réinjection électrique.}

Dans ce

but,

le

premier thermogramme,

non

_compensé,

est utilisé

comme _{programme de}

réinjection

au cours des

expériences

ultérieures concernant le même échan-tillon. Les

_{thermogrammes compensés}

des

expé-riences suivantes fournissent directement la

diffé-rence des aires Sn -

Sl correspondant

à l’effet

Wigner.

Pour cette

_{compensation,}

un suiveur de

trait avec

_{potentiomètre}

asservi fournit à

_chaque

instant une tension de

_{réinjection proportionnelle}

à

l’élongation

du

_{thermogramme [7].}

La

_figure

11

FiG.11.

donne le schéma d’utilisation. Il est nécessaire _que

le

_{potentiomètre}

soit à très faible

_impédance

_par

rapport

au

_{galvanomètre.}

Cette méthode semble très

_prometteuse.

On

constate

_cependant

_{que les résultats obtenus} avec ce

_dispositif,

_groupés

dans le tableau 2 offrent une

précision

inférieure à celle du

_{dispositif précédent.}

Cette

_imprécision

ne résulte en fait que d’une

imperfection

purement

mécanique

du lecteur de

programme, actuellement en voie d’élimination.

TABLEAU 2

Conclusions. - Les

mesures

_{précédentes}

ont été effectuées sur des

_éprouvettes

en BeO irradiées à des

températures

intérieures à 100°C. Les résultats

groupés

dans la

_{figure 12,}

montrent _que

_l’énergie

Fic.12.

Wigner

varie

_beaucoup

avec le taux d’irradiation.

Les valeurs moyennes de

l’énergie

Wigner

corres-pondant

à

_chaque

taux d’irradiation sont données

dans le tableau 3.

La

_dispersion

des résultats autour de la valeur

moyenne

(tableau 3)

correspondant

à un même

taux

_{d’irradiation,}

est

_supérieure

aux erreurs de

mesure,

qui

sont de l’ordre de 15

%

seulement. Ceci laisserait supposer, soit que les échantillons

56

TABLEAU 3

soit

_qu’une

_partie

de

_l’énergie

_emmagasinée

a été

libérée en

_pile

d’une valeur différente suivant les

échantillons. On constate _que cette

_énergie

reste

faible _pour des irradiations inférieures à 1020

nr. cm-2. Par

_contre,

l’échantillon D 97 irradié à

une

_{température plus}

élevée

₍₄₀₀

_OC)

à une dose

de 2 X 10 20 nr.cm-2

_(E

> 1

_MeV)

donne une

_énergie

assez

_importante.

La

_température

d’irradiation

étant

_différente,

il est difficile _{de comparer} cet échantillon aux

_{précédents.}

D’autres

_éprouvettes

irradiées

dans les mêmes conditions _que le D 97 et

pour

lesquelles

on avait observé une décohésion

plus

ou moins

_importante

des

grains

du fritté

(échantillon friable),

ont donné des

_énergies

_Wigner

très faibles et de l’ordre de

_grandeur

de l’erreur

expérimentale.

On

_peut

_{penser que}

_l’énergie

mesurée durant la

guérison représente

en

_{grande partie l’énergie}

élas-tique

emmagasinée

dans le _{matériau fritté par suite} des contraintes _{crées par les variations des} para-mètres cristallins

_[8]

sous l’influence du

bombar-dement

_neutronique.

BIBLIOGRAPHIE

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