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Étude de quelques bétons spéciaux de protection
J. Bourgeois, A. Ertaud, J. Jacquesson
To cite this version:
317.
ÉTUDE
DEQUELQUES BÉTONS
SPÉCIAUX
DE PROTECTIONPar MM. J.
BOURGEOIS,
A. ERTAUD et J.JACQUESSON.
Commissariat à
l’Énergie
atomiqueService de la Pile de Châtillon.
Sommaire. 2014 On étudie l’affaiblissement des neutrons à travers
quelques bétons destinés à la
protec-tion contre le rayonnement en utilisant les neutrons thermiques de la colonne diffusante de la Pile de
Châtillon.
On caractérise les neutrons par la section efficace macroscopique de transport et de capture.
Les bétons étudiés sont : béton ordinaire, béton au carbure de bore, béton au borax, béton à la
serpentine et tourmaline, béton à la barytine et au carbure de bore, béton à la serpentine et au fer.
La longueur de diffusion a varié de 5,62 cm (béton ordinaire) à I,I5 cm (béton à la serpentine et
tourmaline).
La densité des bétons varie de 2,3 à 3,5.
JOURNAL PHYSIQUE ET LE RADIUM.
14,
i953,
1. Introduction. -- Cette étude est relative à
la
protection offerte par
différents bétonsspéciaux
vis-à-vis durayonnement
en neutronsthermique
et durayonnement
y sortant de la colonnediffu-sante de la Pile de Châtillon. De
nombreux
travaux ont étépubliés
sur lespropriétés
protectrices
desbétons
[1], [2], [3], [4],
mais les auteurs cités onttoujours
utilisé -des sources de neutronsrapides.
La colonne. diffusante d’une
pile
est une sourcecommode de neutrons
thermiques
d’énergie
moyenneconnue
[5]
et pourlesquels
la théorie de la diffu-sionpermet
de définir descaractéristiques
biendéfinies.
Les
idéessuivantes
ontprésidé
auchoix
desconstituants
des bétons utilisés.10 Protection contre les neutrons
thermiques.
- Lathéorie
élémentaire donne pour l’établissement de la densiténeutronique
à l’intérieur d’unécran,
dans le cas d’une sourceplane,
la formuleoù L est la
longueur
de diffusion dans le matériau considéré cettelongueur
est définie pardans le
cadre
de la théorie élémentaire avec(1) ;
03A3,
section efficacemacroscopique
totale ;
03A3tr,
section efficacemacroscopique
detransport;
,
section efficacemacroscopique
decapture.
Pour améliorer’la
protection,
on cherche àdimi-nuer
L,
enaugmentant -03A3a,
par l’addition de noyauxcapturants
et 1 par l’addition de noyaux diffusants(hydrogène).
(1) Nous avons en fait, comme on le verra, utilisé une
théorie plus perfectionnée et déterminé les paramètres de
transport des bétons essayés.
2o Protection contre les
suprathermiques
et lesrapides.
--Bien que les mesures n’aient pu être
effectuées pour des
énergies
de neutrons autres quel’énergie thermique,
onpeut
espérer
avoiramélioré le
pouvoir
ralentisseur enincorporant
auxbétons des substances
comprenant :
- - Soit des
noyaux de masse
plutôt
élevée(Fe)
pour obtenir un effet dediffusion
inélastique
surles neutrons
rapides;
- Soit
des noyaux
légers , (H)
pour ralentir les neutronsd’énergie
modérée.30 Protection contre les rayons y. .-- Un
affai-blissement déterminé est obtenu
sensiblement
pourun même
poids
d’écran,
quel
que soitle matériau
employé (2).
En vue de réduire
l’encombrement,
on a donc cherché pour certainsbétons
à obtenir la densité maximum(bétons
« lourds»).
2.
Dispositif expérimental.
-Plaques
de bétons.-
Les différents bétons à étudier ont été coulés
sous forme de
demi-plaques
de dimensions(103 x
1°7 x 5 cm)(3).
Deuxdemi-plaques s’ajustent
pour former uneplaque
entière(fig. 1).
Les
plaques
Comportent
un évidement central desection carrée
qui
,permet
demettre
enplace
lesbouchons
porte-détecteur.
Les détecteurs colléssur les bouchons se trouvent ainsi à des intervalles
régulièrement espacés
sur l’axe de la masse debéton à étudier.
L’ensemble des
plaques
(au
nombre de trois ouquatre)
estporté
par un chariotqui
est mis à contre la colonnediffusante,
qprès
avoir relevé lesystème
deprotection
amovible,
en laiton cadmié.(2) Tout au moins, tant que l’effet Compton est prépon-dérant. L’emploi de noyaux lourds accentue l’avantage des écrans à densité élevée en faisant intervenir, en outre, les
effets photoélectriques et de création de
paires.
(3) Pour le béton au fer,
l’épaisseur
desdemi-plaques
aété réduite à 3 cm, pour la commodité des manipulations.
318
Le bloc
parallélépipédique
de béton ainsi réalisé est revêtu de cadmium sur les faces latérales et la facepostérieure,
de manière à éliminer la contri-bution des neutronserratiques
venant de toutes les directions du local de lapile.
Les dimensions des
plaques
ont été choisies sufn-sammentgrandes
pour que lalongueur
de relaxa-tion soitpratiquement
confondue avec lalongueur
de diffusion.
Mesures des densités de neutrons
thermiques.
-Les détecteurs utilisés sont des détecteurs en
man-ganèse,
dont lescaraçtéristiques
sont les suivantes :Alliage
de Mn à 1 o pour 10o deNi;
Dimensions,
11 X 13 mm;Poids,
200 mg; ’Épaisseur
0,18
mm; soit0,135
g /cm2
dont0,121
gjem2
de Mn. Les détecteurs sontplacés
surl’axe du
parallélépipède,
entre lesbouchons,
de2,5
en2,5
cm.Sur la face de
sortie,
onplace
un détecteurqua-druple.
Pour les bétons les
plus
absorbants,
on a utilisé des détecteurs en indium et descompteurs
cloches. Mesures des doses y transmises. -L’affaiblisse-ment des y a été mesuré à l’aide d’une chambre
- d’ionisation à
parois
«équivalentes
à l’air », cequi
permet
d’obtenir une mesure directe de la dosetransmise.
. Cette chambré est associée à un
amplificateur
à courant continu.Dans le but
d’éliminer
les neutronspouvant
tomber sur la chambre(qui
est sensibleégalement
àce
rayonnement),
oninterpose
entre la colonne diffusante et le bloc de béton une feuille decadmium
(e
== 0,8mm).
3. Modes
opératoires.-A.
MESURES DES CONS-TANTES RELATIVES A L’AFFAIBLISSEMENT DE LADENSITÉ EN NEUTRONS THERMIQUES. - 10 Cas des bétons assez peu absorbants. - Pour de tels
bétons,
il estpossible
de caractériser la diffusionnon seulement par la
longueur
de diffusionL,
maispar les
paramètres
detransport :
Ilr,
section efficacemacroscopique
detransport;
03A3a,
section efficacemacroscopique
decapture,
qui
sont les constantes d’un milieu diffuseuriso-trope
équivalent
au milieuréel,
lequel
présente
uneanisotropie
marquée
du fait de laprésence
denoyaux
légers
(H
enparticulier).
La connaissance de ces constantespermettra
de traiter unproblème
de diffusion dans une
géométrie
quelconque.
La détermination de ces constantes nécessite les données
expérimentales
suivantes :a. Détermination de la
pente
de la solutionasymp-totique
de distribution de la densité à l’intérieur du béton. Cette solutionasymptotique
est unedroite en coordonnées
semi-logarithmique,
dont lapente
K,
est l’inverse de lalongueur
de diffusion L. b. Détermination du flux à la sortie par ledétec-teur
quadruple placé
sur la facepostérieure.
La méthodeemployée
estprécisée
aupara-graphe
4.20 Cas des bétons
forlement
absorbants. - Lesexpériences
nécessaires pourl’application
de la théorieprécédente
deviennent deplus
enplus
imprécises (à
cause surtout de la faiblesse de lasource de
neutrons)
et le béton est alors caractérisé seulement par lapente
de la solutionasymptotique
dont l’inverse est lalongueur
de relaxation.B. MESURES RELATIVES A L’AFFAIBLISSEMENT DES
RAYONS y. - Les mesures ont
porté
sur unspectre
ycoinplexe
résultant lui-même de lasuperposition
de deux
spectres :
.10 Le
spectre des y
sortant de la colonne diffu-sante. Cespectre
présente
uneénergie
moyenne assez élevée etcomprend
une contributionimpor-tante des y de
capture
(n,
y)
ducarbone;
20 Le
spectre
des y decapture
(n, Y)
du cadmiumprovenant
de la feuille de cadmiuminterposée
entre la colonne diffusante et la face antérieure du bloc de béton.La chambre étant
placée chaque
fois,
contre la facepostérieure
del’ensemble;
on enlève lesplaques
de béton une à une. On détermine ainsi la courbe d’affaiblissement parpoints.
L’expérience
montre que cette courbe est sensi-blement une droite en coordonnéessemi-logarith-miques,
tout au moins àpartir
d’une certaineépaisseur
deplaque
et au delà.En
conséquence,
et afin decompârer
lesdiffé-rents bétons,
chacun d’eux est caractérisé par uncoefficient
d’absorption
apparent
encm-i,
mesurant lapente
de la courbed’absorption
dans sapartie
rectiligne
en coordonnéessemi-logarithmiques.
Nota. - Comme le
fait remarquer en
particulier
Failla
[6],
l’ionisationproduite
dans unechambre
est
proportionnelle
àl’énergie
duphoton
et aussiau coefficient
d’absorption
dansl’air;
ce dernier croît trèsrapidement
sil’énergie
duphoton
tombe au-dessous de 70 keV. Les mesures que nous avons319
qualitatives
et nepermettent
que de comparer entre eux les bétons que nous avonsexpérimentés,
Il serait illusoire de comparer ces coefficients avec
des coefficients obtenus par d’autres méthodes (en
particulier
en utilisant une bonnegéométrie)
et de les utiliser pour un calcul deprotection.
4. Méthode utilisée pour la
détermination
des constantes de bétons assez peu
absor-bants. - Nous
avons
appliqué
la méthode décritepar J. Sisk
[7]
dans la mesure desparamètres
detransport
des neutronsthermiques
dans l’eau. Cette méthodepermet
de déterminer lescarac-téristiques
du béton si l’on- mesure10 La
répartition
de la densité dans unerégion
suffisamment
éloignée
des sources et de la face de sortie pour que l’onpuisse
considérer que l’onse trouve en
présence
de la solutionasymptotique.
La valeur de cette solution est :Dans cette
expression,
leparamètre v
est donné par la relationavec
z,
désigne
la distance à la face desortie;
zo,
désigne
la distanceextrapolée.
Ces deux
longueurs
sontexprimées
enprenant
pour unité de
longueur
le libre parcours moyentotal
-On
a donc :
x et xo étant
respectivement
la distance à la face de sortie et la distanceextrapolée exprimées
encentimètres.
-En coordonnées
semi-logarithmiques,
la varia-tion de la densité serareprésentée
par une droitede
pente
K,
dans larégion
éloignée
des faces de l’écran :ou
En identifiant cette
expression
avec(1),
on voit ainsi que l’on a20 .K étant donné par la
pente
de la solutionasymptotique
dans lesystème
de coordonnées(log
n,x),
la détermination de v et 1 nécessite unedeuxlième
expérience :
Celle-ci
consiste,
parexemple,
en la mesure du flux à la sortie.Frankel et
Goldberg
[8]
donnent pour ce fluxl’expression
suivante : ,Cette
expression
nedépend que
de v,
carOn
peut
donc construire parpoints
la courbetD,
(1i ).
Expérimentalement,
on a déterminé n(x)
(fige 2),
valeur de la densité en un
point x
fixé(choisi
dansla
région
asymptotique)
et cp(o)
flux à la sortie.320
proportionnelles
aux valeursexpérimentales,
onobtient :
on encore
Pour trouver la valeur v satisfaisant à cette
relation,
on trace la courbequi
est bien une fonction de v comme on le voiten
l’écrivant
sous la forme :où o (o),
x, n(x),
K sont connus, et zo unefonc-tion de 11
(fig. 3).
L’intersection des deux courbes :
donne v. En
portant
cette valeur de(v)
dans(4),
on obtient 03A3 En
portant
dans(2),
on obtient «,d’où
03A3
et finalement
Calculs d’erreurs. -- La validité de la méthode
est limitée par la valeur maximum de l’erreur que l’on consent dans le calcul des
paramètres 03A3
Ia,
03A3tr.
La courbe y1 =
... 0
(v)
étant connue avecpréci-sion,
l’erreur est due à l’incertitude surPratiquement
n(x)
et K sont déterminés avecune excellente
précision
et l’onpeut
admettre queLa mesure du courant à la sortie cp
(o)
étant la seule délicate(4).
Le
présent
calcul a pour objet depréciser quelle
est la
répercussion
de cette erreur sur le calculdes 1.
10
Effet
de/lY2
sur 0394v. - L’incertitude0394y2
entraîne une incertitude Ai sur v
(1) Ceci en raison de la faiblesse relative de la source
1
employée. La même méthode appliquée sur une pile plus
puissante donnerait des résultats incomparablement meilleurs.
Nous pensons, en particulier, à la
possibilité
de mesurer (p(o) par une méthode d’autoradiographie (cf. A. ERTAUD et P. ZALESKI, c. R. Acad. Sc., t 95?, 234, 1969.ou en
posant
20
Effet de
w sur 0«. -« est lié à v par la
rela-tion
(2)
d’où
et
en
posant
représentée
sur la courbefigure
4.
d’où
La
précision
sur03A3tr
= l: (1 -
a)
serasupérieure
à cette
valeur,
puisque
l’erreur absolue est la même et quel:tl’
> 03A3a
pour les différents bétons étudiés. Le tableau II donne les erreurs moyennes àcraindre. Elles sont de l’ordre de 1 o pour 100, ce
qui
resteadmissible,
l’incertitude sur lareproduc-tibilité de
composition
nucléaire des bétons étant de cet ordre.5.
Composition
des bétors. - Les bétonsétudiés sont au nombre de
six, quatre
légers
et deux lourds. Les.compositions indiquées
corres-pondent approximativement
à i m3.a. BÉTONS LÉGERS. - 10 Béton A. - Béton
ordinaire
qui
a étépris
comme référence :20 Béton B.’ - Béton ordinaire
auquel
on aajouté
du carbure de bore sous formepulvérulente :
:30 Béton D. E. - Béton ordinaire
auquel
on aajouté
du boraxB407Na2, 10H20
et dubicarbo-nate
C03NaH,
pour faciliter laprise :
40
Béton S. T. - Dans cebéton,
le sable et legravier
ont étéremplacés par de la
serpentine
et de la tourmaline :b. BÉTONS LOURDS. -- 50 Béton C. -
Barytine
et B4C :
’60 Béton F. - Béton au fer :
Remarques.
-- 1 ° Le ciment utilisé est du CPB250-315 de l’usine de
Gargenville (Poliet
etChausson).
z° La
serpentine
est constituée par desaggrégats
monocristallins de formule brute
Mg6
(OH)Si4010.
C’est le silicate leplus oxydrile,
il renferme1,45
pour ood’hydrogène
en masse, soit8,7 . 1021
noyaux d’H par gramme.
C’est pour cette raison
qu’il
a étéchoisi,
d’autantplus
que l’onpeut
en trouver desquantités
illi-mitées à très basprix.
3° La tourmaline utilisée est du
type
noir ferri-fère’qui
constitue la variété laplus
abondante dece minéral. C’est un
boro-fluo-hydroxysilicate
d’Al avecFe,
Mg,
Na,
Li,
Mn.Teneur en
Si02
variant de 32 à37
pour 100environ :
Ce minéral a été choisi à cause de sa teneur en
bore. On doit
pouvoir
en trouver en France desquantités
importantes
àdès
prix
relativement bas. Il en existe desgisements importants
àMadagascar.
40
Le fer a étéincorporé
au bétonF,
sous formede
grenaille.
Le diamètre moyen desgrains
est ,de 2 à3,5o
mm.6. Résultats et discussion. - Les résultats
sont donnés par le tableau
I,
obtenu lui-même à l’aide de lafigure
2.Le calcul d’erreurs résumé dans le tableau
II,
montre que la méthode employée s’applique à tous les bétons
(erreur moyenne inférieure à
10 pour100),
-sauf au béton S. T. pour lequel le flux à la sortie étant
trop
faible donne lieu à des mesuresforte-ment
dispersées.
En
prenant
comme critère d’une bonneprotec-tion
neutronique
le fait que la valeur de la lon-gueur de diffusion soitfaible,
on voit que lebéton S. T. est le meilleur et
ensuite,
dansl’ordre,
C, B et F.
Le béton D. E. à une section de
capture
1:a àpeine supérieure
à celle du bétonordinaire,
cequi
laisse supposer que la
quasi
totalité dubore,
sousforme de borax a été exsudé lors de la
prise.
Le critère de la
protection
aux y est donné par le coefficientapparent
li. On constate que ce coeffi-cient est très sensiblementproportionnel
à la densité Le béton S. T.qui
présente
unavantage
322
TABLEAU 1. Résultats.
TABLEAU II.
Eri-eiirs moyenne.s.
offre par contre une
protection
yqui
n’est pas meilleure que celle offerte par un béton ordinaire.En
conséquence,
nousenvisageons
de réaliserun béton dérivé du béton S. T. La densité pourra être
augmentée
par addition soit debarytine,
soit degrenaille
defer,
et lesqualités
mécanique,
améliorées par une meilleuregranulométrie.
et parvibrage.
Remerciements. - Nous
tenons
à remercier toutparticulièrement
le CommandantLaporte,
del’École
du Génie deVersailles,
qui
a bien voulueffectuer les essais
mécaniques,
nous éclairer de sesconseils pour la
préparation
deséchantillons,
etnous
renseigner
sur laserpentine.
Manuscrit reçu le 31 décembre 1952.
BIBLIOGRAPHIE.
[1] JENSEN P. et RITTER O. 2014 Z.
Naturforschung, I947, 2, 376-384.
[2] CREUTZ E. et DOWNES K. - J.
Appl. Phys., I949, 20,
I236.
[3] DELANO V. et GOODMAN C. - J.
Appl. Phys., I950,
21, I040.
[4] GAGELOT P. C. et WHITE M. G. - J.
Appl. Phys., I950, 21, 369.
[5] ERTAUD A. et BEAUGE R. - J.
Physique Rad., I95I, 12, 580.
[6] FAILLA. 2014 Amer. J.
Roentgen Radium Therapy, I945, 54, 553.
[7] SisK J. 2014 Document O. R. N. L.
933, Oak Ridge National
Laboratory (I5 mars I95I).
[8] FRANKEL S. F. et GOLDBERG S. 2014 A. E. C. D. 2056
