ETUDE ET REALISATION D'UN CALORIMETRE DIFFERENTIEL A COMPENSATION ELECTRIQUE POUR LA MESURE DES ECHAUFFEMENTS EN PILE

C O M M I S S A R I A T A L'ÉNERGIE ATOMIQUE

ETUDE ET REALISATION

D'UN CALORIMETRE DIFFERENTIEL A COMPENSATION ELECTRIQUE

POUR LA MESURE DES ECHAUFFEMENTS EN PILE

par

F . AYELA et H. DERRIEN

Rapport C E A n° 2 1 9 0

lf* r* C E N T R E D ' E T U D E S

9v>2 N U C L É A I R E S DE SACLAY

ETUDE ET REALISATION D'UN CALORIMETRE DIFFERENTIEL A COM- PENSATION ELECTRIQUE POUR LA MESURE DES ECHAUFPEMENTS EN PILE (1962)

Sommaire. - Le calorimètre, dont nous décrivons le principe et les détails dans le présent rapport, nous permet de déterminer, par de simples me- sures électriques, la puissance calorifique libérée par les rayonnements nucléaires dans un échantillon donné. Il nous affranchit aussi, de toute me- sure absolue de température, de tout étalonnage préalable, et de l'utilisation des constantes thermiques ou thermoélectriques de ses éléments constitutifs.

Les possibilités d'emploi de l'appareil sont assez variées comme nous le montrent les premiers essais que nous avons effectués en pile et dont nous donnons les résultats.

CEA 2190 - AYELA Fernand, DERRIEN Henri

THE DEVELOPMENT OF AN ELECTRICALLY COMPENSATED DIFFEREN- TIAL CALORIMETER FOR THE MEASUREMENT OF IN-PILE HEAT EVO- LUTION (1962)

Summary. - It has been possible with the calorimeter of which we gj^ye the principle and details in the present report, to determine the calorific power produced by nuclear radiation in a given sample using simple electrical measurement. It also renders unnecessary all absolute measurements of temperature, all possible calibration, and the use of the thermal or thermo- electric constants of the constituent elements.

The possible uses of the apparatus are fairly varied, as shown by the first in-pile experiments which we have carried out and for which we give results.

Service des Grandes Piles Expérimentales

ETUDE ET REALISATION D'UN CALORIMETRE DIFFERENTIEL A COMPENSATION ELECTRIQUE

POUR LA MESURE DES ECHAUFFEMENTS EN PILE

par

F . AYELA et H. DERRIEN

- 1962 -

POUR LA MESURE DES ECHAUFFEMENTS EN PILE

I. INTRODUCTION

L'effet des rayonnements nucléaires sur les matériaux se traduit par une dissipation d¹ énergie calorifique, dont la quantité est fonction du type de rayonnement et du corps consi- déré. La connaissance des échauffe ment s ainsi provoqués, tant dans les matériaux constitutifs des réacteurs que dans ceux qui constituent les expériences enfournées dans ces réacteurs est indispensable. Leur calcul peut se faire théoriquement à partir des valeurs des flux des

rayonnements nucléaires. Mais ces calculs nécessitent certaines hypothèses de base qui n'ont encore pas toutes été vérifiées ; en outre, si dans les réacteurs les flux neutroniques peuvent être connus avec une précision suffisante, il n'en est pas de même du flux gamma, qui est encore assez mal connu. Aussi la calorimétrie a ouvert dans ce domaine une voie très inté- ressante ; c'est en effet une méthode expérimentale qui permet la mesure directe des échauf- fements des matériaux. Des mesures sur un ensemble de matériaux judicieusement choisis permettront en outre de vérifier les hypothèses de calcul, et d'avoir une connaissance beau- coup plus précise du rayonnement gamma dans un réacteur.

Plusieurs types de calorimètres ont été mis au point au C E . A . Après un bref rap- pel de leur principe, nous en décrirons un nouveau, le calorimètre différentiel à compensa- tion électrique, que nous mettons au point au S. G. P. E. Nous donnerons les résultats des pre- mières mesures que nous avons réalisées avec cet appareil et essaierons d'en déduire les possibilités qu'il nous offre.

II. PRINCIPES DE LA CALORIMETRIE

Les calorimètres sont constitués, d'une manière schématique par un échantillon du corps, dont on veut mesurer réchauffement sous l'effet des rayonnements nucléaires, situé à l'intérieur d'une enceinte, qu'on appellera enceinte externe.

Nous désignerons par :

- M : la masse de l'échantillon

- c : la chaleur spécifique de l'échantillon

- p : la puissance calorifique libérée par gramme dans l'échantillon - fle : la température de l'enceinte externe

- 9 : la température de l'échantillon Deux cas peuvent se produire :

1° Aucun échange de chaleur n'a lieu entre l'échantillon et l'enceinte externe : le ca- lorimètre est dit adiabatique.

2° II y a échange de chaleur entre l'échantillon et l'enceinte externe : le calorimètre est dit isotherme.

II. 1. Calorimètre adiabatique

Dans ce cas toute la chaleur fournie est absorbée par l'échantillon dont la tempéra- ture 9 s'élève; on a «alors la relation :

M x p x d t = M x c x d © d'où :

P = c f (2.!,

La mesure de la vitesse de variation de 9 à l'aide d'un thermocouple, nous permet, c étant connu, de déduire p.

Ce type d'appareil est le plus sensible et est susceptible d'une grande précision ; mais il est d'une construction et d'une mise en oeuvre délicate. En effet, pour qu'il n'y ait aucun échange de température entre l'échantillon et l'enceinte externe, il faut en particulier :

- d'une part, isoler thermiqueznent l'échantillon en faisant le vide dans l'espace com- pris entre l'échantillon et l'enceinte externe, et réduire au maximum les sections des fils des thermocouples et éventuellement de la résistance électrique d'étalonnage.

- d'autre part, maintenir en permanence l'enceinte externe à la même température que l'échantillon, pour éviter les pertes par rayonnement. En outre, cet appareil ne permet pas de faire des mesures en continu, ce qui limite son intérêt.

II. 2. Calorimètre isotherme

Nous supposons que les échanges de chaleur se font uniquement par conduction à tra- vers le milieu séparant l'échantillon de l'enceinte externe, qui est en général un isolant ther- mique, et dont nous désignerons par R la résistance thermique.

La chaleur produite dans l'échantillon est en partie emmagasinée dans l'échantillon, le reste étant évacué vers l'extérieur. On a alors l'équation différentielle :

M p dt = Me d9 + ~ - (6 - 9e) dt (2. 2)

XV

où :

- Mp dt représente la quantité de chaleur fournie A l'échantillon pendant le temps dt ;

- Me d0 la quantité de chaleur emmagasinée par l'échantillon pendant dt et ayant provoqué une variation de température d© ;

- -^- (© - Se) dt la quantité de chaleur évacuée à travers la résistance thermique R vers l'ex- térieur pendant dt.

L'équation 2. 2 peut s'écrire :

f k < ⁹ - ^{9 e} > < ² - ³ >

Si ©e ne varie pas pendant la mesure, c'est l'hypothèse fondamentale dans ce type de calorimètre, nous voyons, en supposant p constante, que l'écart de température 8 - 0e entre l'échantillon et l'enceinte externe, tend d'une manière exponentielle avec une constante de temps T = RM x c, vers une valeur d'équilibre ©1 - ©e telle que :

P

-

<

"

>

Si dans cette expression on remplace R par ^M' , il vient :

p =•—— (01 - ©2) (2.4) o

Les mesures d'une part de T (à l'aide de la courbe de refroidissement de l'échan- tillon par exemple) et de la différence de température ©1 - ©e, d'autre part, permettent d'at- teindre la valeur de p.

Une autre manière de procéder consiste à deter l'échantillon d'un chauffage électri- que permettant l'étalonnage du calorimètre.

A ce type de calorimètre nous pouvons rattacher le calorimètre dit à "piédestal" où l'échange de chaleur entre l'échantillon et l'enceinte externe se fait par l'intermédiaire d'un cylindre métallique conducteur de chaleur, dont nous désignerons également par R la r é s i s - tance thermique. En supposant que les échanges de chaleur se font uniquement par conduction à travers ce cylindre, dont on néglige l'échauffement, et en désignant par ù © la différence de température entre ses extrémités, nous avons en régime stable :

relation analogue à l'équation (4).

A partir du principe du calorimètre à "piédestal" nous avons conçu un nouveau mo- dèle d'appareil. Mais nous avons voulu, pour notre part, nous affranchir de toute mesure absolue de température ; de l'utilisation de constantes thermiques et thermo-électriques, dont

on ignore les va*, itions éventuelles sous l'effet des rayonnements nucléaires ; et enfin de tou- tes les hypothèses simplificatrices sur les échanges de chaleur entre l'échantillon et l'enceinte externe. C'est pourquoi nous avons pensé réaliser un calorimètre différentiel à compensation électrique. Nous nous sommes attachés en outre à réaliser un appareil robuste, d'une techno- logie simple, et pouvant offrir des possibilités d'emploi dans des circonstances variées. C'est ce calorimètre, que nous appellerons "calorimètre D. C. ", que nous nous proposons de pré- senter dans ce qui suit.

III. PRINCIPE DU CALORIMETRE D.C.

Cellules internes

Thermocouples Çy/indres de liaison Enceinte externe Socle

cellule contient ment, qui sert

III. 1. Description sommaire (fig. 1)

Le calorimètre est constitué de deux cellules in- ternes identiques, de forme cylindrique, pouvant

chacune contenir l'échantillon solide ou liquide dont on veut mesurer l'échauffé ment sous l'effet des rayonnements. Chaque cellule est entourée d'une résistance électrique chauffante, et reliée par l'intermédiaire d'un cylindre de liaison, con- ducteur de chaleur, à un socle métallique solidaire d'une enceinte externe. Les deux éléments calori- métriques, constitués chacun par une cellule et le cylindre de liaison correspondant, occupent dans l'enceinte externe, qui sera en général un tube mé- tallique, des positions symétriques.

Dans ce qui suit nous affecterons de l'indice 1 toutes les grandeurs relatives à l'élément dont la l'échantillon utilisé pour la mesure. Les grandeurs relatives au second élé- de référence, seront affectées de l'indice 2.

III. 2. Principe de la mesure en régime stable

Considérons un des éléments calorimétriques, dans la cellule duquel on développe une puissance P. En régime stable une fraction a. P de cette puissance est évacuée vers le socle par le cylindre de liaison, donnant naissance le long de ce cylindre à un gradient de température. Soit A un point de ce cylindre. Nous désignerons par :

la température du cylindre en A Os : la température du socle

: la résistance thermique de la portion du cylindre comprise entre A et le socle.

Nous avons la relation :

©A - «s = R^a a. P. (3.1)

Si nous mesurons cette différence de température à l'aide d'un thermocouple de pou- voir thermoélectrique £, , nous aurons aux bornes de ce thermocouple une force électromo- trice e telle que :

e = L (0^A " «s) (3.2)

ou encore en tenant compte de (3.1) :

e = £ . RA . a . P = k P (3.3)

avec k = £. RA •

Nous voyons donc que, à la condition imperative que les contacts thermoélectriques soient exactement aux températures ©A ^e* ®^s» *^a force électromotrice e est proportionnelle à la puissance développée dans la cellule. La valeur du facteur de proportionnalité k dépend :

- de la fraction de chaleur conduite par le cylindre et, par conséquent, des pertes calorifiques de l'élément ;

- des caractéristiques géométriques et thermiques du cylindre ; - des caractéristiques thermo-électriques du thermocouple.

Si nous appliquons les relations 3.2 et 3. 3 à chacun des deux éléments calorimétri- ques, il vient :

( ^{e i} = £. (0^Al " «s) = ki Pi

( (3.4) ( e² = £ . (©A2 " «s) = k² P²

Les thermocouples donnant ei et e² sont montés en opposition de manière à avoir la différence :

A e = ei - e² = £ (6^A1 - GA2) = ^ Pi - k² P² (3. 5) Remarques :

- Nous voyons que la différence A e est indépendante de la température ©s du socle.

- Si Al et A2 occupent des positions identiques sur les cylindres de liaisons, et si les éléments calorimétriques sont absolument identiques et symétriques, les coefficients kl et

k2 sont égaux. Bien que pratiquement il n'en sera pas ainsi, kl et k2 seront cependant peu différents.

La mesure se fait maintenant en deux étapes :

III. 2.1. En l'absence de tout rayonnement nous chauffons électriquement chacune des deux cellules, Plet P2 désignant les puissances électriques qui y sont développées. Nous don- nons à PI et P2 des valeurs telles que nous ayons :

Ae - ej - e² = 0 c'est-à-dire :

kl PI - k2 P2 = 0 (3.6)

III. 2.2. Le calorimètre est alors soumis à l'effet des rayonnements nucléaires.

Nous désignerons par :

- I : la puissance calorifique produite dans l'échantillon par les rayonnements et qu'on cherche à mesurer.

- w : la puissance qu'il faut développer dans une cellule pour produire sur la répar- tition des températures le long du cylindre de liaison, des effets équivalents aux échauffements par les rayonnements de la cellule et du cylindre, et que nous appellerons échauffements pa- rasites.

La valeur de "w¹¹ est la même pour chacun des deux éléments puisque ces derniers sont identiques et disposés de manière symétrique.

Dans la cellule n° 1 qui contient l'échantillon nous compensons l'effet de la puissan- ce "I" en diminuant la puissance électrique PI jusqu'à une nouvelle valeur P'1 telle que nous ayons de nouveau

A e = e ' i - e ' 2 = 0

e 'x et e*2 sont les nouvelles valeurs des tensions aux bornes des thermocouples et ont pour valeur :

+ i + ^{w )}

S*

*

( e'² = k² (1 + ^ _ ) (P² + w)

où —r— représente la variation relative des facteurs kl et k2 due à la variation de tempéra- ture des points Al et A2, et à l'effet des rayonnements nucléaires sur les diverses constan-

©k

tes qui interviennent dans kl et k2. Nous supposons que cette variation relative —r-— est la

même pour les deux facteurs puisque les deux éléments calorimétriques sont dans le même état thermique et soumis aux mêmes rayonnements.

Nous tirons des relations (3.7) en faisant e¹1 = e'²

kl (P'j + I + w) = k² (P² + w) (3.8)

en tenant compte de la relation : kl PI = k2 P2 il vient

XeO

I » P^x - P«^t + (— - 1) w (3.9)

le rapport -rr- étant voisin de 1, si w est une faible fraction de I, le terme correctifk2 fc-T- - 1) w sera négligeable devant I et l'on aura :k2

I = Pj - P'j (3.10) ce qui nous donne une mesure directe de la valeur absolue de la puissance I libérée dans l'échantillon par les rayonnements nucléaires. Nous pouvons cependant déterminer la valeur du terme correctif si besoin est. En effet, le facteur r r - 1 est mesuré lors de l'équilibrek2 des forces électromotrices des thermocouples en l'absence de tout rayonnement et a pour va- leur :

k2 PI

kl " * " P2 " ¹

D'autre part, le calcul nous permet, connaissant la constitution et les dimensions des différents éléments du calorimètre, de déterminer avec une approximation suffisante le rapport - j - .

HI. 3. Conclusions

III. 3.1. Cet appareil nous permet de faire une mesure directe de la puissan- ce calorifique libérée par les rayonnements nucléaires dans un échantillon donné, sans qu'il soit nécessaire :

- de faire des mesures absolues de température ou des étalonnages préalables, les thermocouples ne servant plus qu'à détecter une variation de température et non à la mesurer.

- d'utiliser des valeurs de constantes thermiques ou thermoélectriques ; en outre les variations éventuelles de ces constantes avec la température ou sous l'effet des rayonne-

merits nucléaires n'influent pas sur les mesures.

III. 3.2. Le montage différentiel permet d'éliminer l'effet des échauffements para- sites dus aux différents constituants des éléments calorimétriques autres que l'échantillon lui- même ; d'éliminer les effets des forces électromotrices parasites dans les câbles, de rendre la mesure indépendante de la température 64, du socle et même, à la condition que les deux cellules aient la même capacité calorifique, ce qui est réalisable, indépendante des variations de «s.

III. 3. 3. La méthode de mesure qui est une méthode de zéro permet d'augmenter la précision et la sensibilité de l'appareil.

Il est à noter que l'appareil offre également les mêmes possibilités de mesure que les autres types de calorimètres isothermes.

IV. REALISATION DU CALORIMETRE D. C. (voir fig. 2 et photos)

Dans les premiers calorimètres que nous avons réalisés, les cellules internes, les cylindres de liaison, le socle et le tube servant d'enceinte externe sont en aluminium. Le choix de ce métal a été dicté par les considérations suivantes :

1° L'aluminium est un très bon conducteur de chaleur ce qui permet de réaliser une assez bonne uniformité de la température des cellules, du tube et surtout du socle ; les cylindres de liaison d'autre part conduiront vers le socle une grande fraction de la chaleur produite dans les cellules.

2° L'aluminium est un corps léger qui s'échauffe relativement moins que la plupart des autres métaux sous l'effet des rayonnements nucléaires, et en particulier du rayonnement gamma, ce qui réduit le terme "w" dans l'équation (3.9). D'autre part, il a une période d'ac- tivation très courte, ce qui permet une manipulation plus aisée du calorimètre à la fin d'une

mesure en pile.

Chaque cellule est constituée par un cylindre creux dans lequel on peut loger un échantillon cylindrique de 20 mm de long et 9 mm de diamètre. Sur la surface externe de la cellule et le long de la partie où se trouve l'échantillon sont ménagées des rainures dans les- quelles on bobine la résistance chauffante qui est en fil de constantan de 10/100 isolé à

l'émail ; la valeur de résistance chauffante est de l'ordre de 93A. La partie chauffée de la cellule est emmanchée dans un cylindre en celoron.

Dans l'extrémité vide de la cellule se visse une pièce comprenant le cylindre qui relie la cellule au socle. Cette pièce vissée avec à son extrémité un joint métallique rend le logement de l'échantillon étanche, ce qui permet éventuellement l'utilisation d'échantillons li- quides. Le cylindre de liaison se visse par sa deuxième extrémité dans le socle cylindrique auquel nous avons donné une épaisseur importante afin d'y réaliser la meilleure uniformité de température possible. L'ensemble est placé dans un tube en aluminium servant d'enceinte externe.

Le thermocouple utilisé pour la détection des variations de température est un ther- mocouple aluminium constantan, l'ensemble des deux cylindres de liaison et le socle consti- tuant la branche aluminium. A l'extrémité supérieure de chaque cylindre (points que nous

avions désignés en III par Al et A2) on réalise mécaniquement un contact entre l'aluminium et un fil de constantan. Ce montage, outre sa simplicité et sa robustesse permet d'avoir les contacts thermoélectriques exactement aux mêmes températures que les points Al et A2 des cylindres de liaison, condition imperative pour que les tensions thermoélectriques qui s'y dé- veloppent soient, comme nous l'avons vu, proportionnelles aux puissances dissipées dans les cellules. Aux extrémités des fils de constantan nous avons donc la force électromotrice diffé- rentielle A e = ex - e2, que l'on détectera à l'aide d'un galvanomètre.

V. ETUDE EXPERIMENTALE DU CALORIMETRE D.C.

Avant la mise en pile des premiers calorimètres nous avons fait un certain nombre d'essais en laboratoire, destinés à vérifier leur fonctionnement et à mesurer certaines cons- tantes, en particulier le facteur de proportionnalité entre la force électromotrice ûe et la différence des puissances développées dans les cellules, et les constantes de temps thermiques de chaque élément calorimétrique.

Il est à noter que ces essais ont été effectués à la température ambiante sans prendre de précaution particulière.

V. 1. Montage et appareillage utilisé (fig. 3)

Chaque résistance chauffante est alimentée à partir d'une alimentation courant conti- nu, stabilisée et variable de 0 à 30 V. La mesure de la puissance se fait à partir de la re- lation P = P i , P étant la valeur de la résistance chauffante qu'on mesure au préalable au pont de Wheatstone ; i étant le courant, mesuré dans l'élément n° 1, qui contient l'échantillon, en prenant la tension aux bornes d'une résistance de précision en série avec la résistance chauffante ; dans l'élément n° 2, le courant est mesuré à l'aide d'un simple ampèremètre. La mesure de e se fait à l'aide d'un microampèremètre, millivoltmètre qui peut fonctionner soit en galvanomètre sur la position "G", soit en millivoltmètre, avec les sensibilités 0,45 mV - 1, 5 mV et 4, 5 mV pour la déviation totale du spot qui est de 150 mm.

V. 2. Variations de ù e en fonction de la puissance

Dans ces essais nous donnons à P2 une valeur fixe, qui peut être nulle, et on fait varier la puissance PI de la cellule contenant l'échantillon. Les courbes I et II nous donnent pour deux calorimètres les déviations D du galvanomètre en fonction de PI, la puissance P2 étant nulle.

De ces mesures on peut tirer les conclusions suivantes :

- les résultats sont pratiquement reproductible s d'un calorimètre à l'autre ; - le facteur de proportionnalité entre la tension du thermocouple et la puissance

développée dans une cellule est constant de 0 à 2 watts ; au-delà il tend à diminuer.

- la valeur inférieure de la puissance qu'on peut déceler, sans prendre de précau- tion spéciale, est de l'ordre de 5 mW. L'échantillon de plomb pesant 14, 35 grammes, on peut donc espérer pouvoir mesurer des flux gamma donnant un échauffement dans le plomb infé- rieur à 1 mW par gramme.

V. 3. Mesures des constantes de temps

Lorsqu'on provoque une variation instantanée de puissance dans l'une des cellules, la tension e aux bornes du thermocouple prend -une nouvelle valeur après un régime tran- sitoire d'allure exponentielle. Il est intéressant d'avoir des constantes de temps les plus faibles possible de sorte que le régime transitoire dû à une perturbation thermique s'éteigne le plus rapidement possible. D'autre part la différence des constantes de temps des deux élé- ments calorimétriques, due à la présence dans le premier d'un échantillon, doit être la plus faible possible de manière à augmenter la stabilité de la réponse du calorimètre. Nous re- produisons sur les courbes III et IV les enregistrements de régimes transitoires d'un calori- mètre réalisés à l'aide d'un galvanomètre suiveur de spot, la variation de puissance étant de l'ordre de un watt. Des enregistrements effectués avec d'autres calorimètres donnent des ré- sultats identiques. La constante de temps du premier élément est de l'ordre de 130 s ; celle du deuxième élément étant de l'ordre de 90 s. La différence qui est de 40 s, est assez

faible ; mais nous devons chercher à la diminuer encore.

VI. MESURES EN PILE

Nous avons fait nos premières mesures dans les réacteurs à eau lourde EL 2 et EL 3, et dans la pile piscine "Triton", ce qui nous a permis d'essayer l'appareil dans des conditions variées et dans une gamme de flux variant de 0, 5 à 120 mW par gramme.

L'appareillage de mesure est le même que celui utilisé dans les essais en labora- toire.

La précision des résultats que nous avons obtenus augmente avec la valeur du flux mesuré. En effet l'erreur est la somme de deux termes : d'une part, l'erreur due à la me- sure des puissances électriques et qui est, compte tenu de tous les facteurs et de la préci- sion des appareils utilisés, de l'ordre de 2 pour cent ; d'autre part, l'erreur due à la fluc- tuation du zéro provoquée en particulier par les fluctuations des températures auxquelles sont soumis le calorimètre et l'appareillage de mesure. Nous avons porté sur la courbe V en fonc- tion de la valeur de la puissance totale libérée dans l'échantillon, la précision que nous pen- sons avoir atteinte dans nos mesures. Nous tenons cependant à faire remarquer que l'appareil n'étant encore qu'au stade des essais, il est possible qu'un défaut intrinsèque, donnant nais- sance à une erreur systématique, nous ait pour l'instant échappé, rendant illusoires les préci- sions que nous indiquons.

VI. 1. Mesures dans EL 2 (fig. 4)

Nous avons effectué plusieurs mesures à des époques différentes avec des échantil- lons de plomb ordinaire (14,4 g) et de bismuth (12,4 g) dans le canal central, â la cote du flux maximum et pour des puissances du réacteur variant de 0 à 500 kW. Le calorimètre était simplement suspendu dans le canal à l'aide des câbles électriques. La longueur des fils entre le calorimètre et l'appareillage de mesure était de l'ordre de 10 mètres.

Nous donnons dans le tableau ci-après les résultats obtenus exprimés en mW/g. No- tons que pour ces mesures faites à des époques différentes le positionnement n'est pas rigou- reusement identique et que la puissance du réacteur n'est pas parfaitement reproductible ce qui introduit des sources d'erreurs supplémentaires

Variation de la puissance de pile en kW

Mesures du 22.1.62 Echantillon Pb

Mesures du 25.2.62 Echantillon Pb

Mesures du 5. 3. 62 Echantillon Pb

Mesures du 7. 5. 62 Echantillon Bi

0

0 , 5

non me- surable

0 , 5

0 , 4

100

1,6

200

3 , 1

250

3 , 8

4 , 3

500

8 , 5

7 , 3

8 , 8

VI. 2. Mesures dans Triton (fig. 5)

Le 20 mars 1962, nous avons effectué quelques mesures sur le râtelier se trouvant près du coeur.

Le calorimètre était plongé dans une chaussette d'aluminium émergeant de l'eau, son centrage y étant assuré par des ailettes. La chaussette était munie s'un sabot permettant son positionnement, et remplie de polythene. L'échantillon qui était du plomb ordinaire, se trou- vait à environ 11 cm au-dessus du plan de flux maximum. La longueur des fils entre le calo- rimètre et l'appareillage de mesure était de l'ordre de 30 mètres.

Nous avons exploré les cinq positions de la diagonale du râtelier que nous numéro- tons de 1 à 5 en nous éloignant du coeur, le réacteur fonctionnant à une puissance de 2 MW.

Nous avons trouvé les résultats suivants : Position

Echauffe ment s en mW/g

1

24

2

7.4

3

2.8

4

0.8

5

0,4

VI. 3. Mesures dans EL 3

Nous avons à l'heure actuelle effectué des mesures dans deux dispositifs expéri- mentaux d'EL 3 : le dispositif spécial n° 5 (D. S. 5) et le canal radial H. 12.

VI. 3.1. Mesures dans D. S. 5 (fig. 6)

Dans ce cas l'enceinte externe du calorimètre est un tube en aluminium plongeant dans l'eau lourde et fixé à un bouchon de cellule, l'ensemble étant absolument étanche, et installé dans le réacteur en permanence.

L'échantillon, en plomb ordinaire, se trouve à la cote du flux maximum théorique.

Les câbles de liaison ont 16 mètres de long.

Mesures

Nous avons fait durant le cycle de fonctionnement de EL 3 du 9 mars au 11 avril 1962, deux sortes de mesures : des mesures absolues d'échauffement et des mesures rela- tives.

Mesures absolues

Lors du démarrage de EL 3 le 9 mars 1962, nous avons mesuré réchauffement en fonction de la puissance du réacteur. Les résultats sont portés sur la courbe VI. D'autre part, au cours du cycle, la pile fonctionnant à 15 MW, nous avons fait un certain nombre de mesures. La courbe VII nous donne l'évolution de réchauffement en fonction de l'énergie li- bérée par la pile. Il est curieux de constater que l'échauffé ment a augmenté durant le cycle d'environ 50 pour cent, d'autant plus que nous n'avons pas observé ce phénomène durant le cycle suivant où l'échauffement a varié entre 110 et 115 mW par gramme.

Mesures relatives

Ces mesures ont été réalisées en supprimant les chauffages électriques, et en enre- gistrant la tension donnée par le thermocouple. Le but recherché était d'étudier le comporte- ment du calorimètre en transitoire, lors des changements de régime du réacteur, et les pos- sibilités de contrôle de la puissance d'un réacteur à l'aide de ce calorimètre. Nous donnons la reproduction d'enregistrements sur les courbes VIII où nous constatons que la stabilité du

signal enregistré est bonne.

Quant au fonctionnement du réacteur, nous constatons qu'aux démarrages l'échauffe- ment est d'environ 10 pour cent supérieur à celui du fonctionnement en régime stable, et que cet excès disparaît au bout de quelques heures de fonctionnement.

Notons enfin que le calorimètre après deux cycles de fonctionnement, pendant les- quels la dose intégrée a été de 4,9.10 rads, ne présente pas d'anomalie apparente.

VI. 3.2. Mesures dans H. 12 (voir fig. 7 et photo) Montage

Dans ce cas nous avons réalisé un montage un peu particulier. Nous avons en effet fixé les éléments calorimétriques directement sur la nacelle en aluminium de manière à gagner de la place et à pouvoir y disposer cinq ensembles distants de 15 cm. Nous pou- vons ainsi tracer la répartition des échauffements le long de cette nacelle. Les échantillons utilisés sont en bismuth (12,4 g).

Mesures

Nous avons fait les mêmes types de mesures que dans le D. S. 5. La courbe IX don- ne la répartition du flux le long de la nacelle, pour une puissance du réacteur de 15 MW ; ces valeurs n'ont pratiquement pas varié durant le cycle.

Sur les courbes X nous reproduisons des enregistrements faits sur l'un des calori- mètres. La stabilité est moins bonne que dans le cas du D. S. 5. puisque nous obtenons des fluctuations du signal de l'ordre de ^ 2 pour cent ; ceci est normal puisque nous n'avons pas dans ce cas d'enceinte externe refroidie par une masse importante de matière.

VII. CONCLUSION

Les essais du calorimètre D. C. que nous avons effectués jusqu'à présent ne sont encore pas suffisants pour nous permettre de porter un jugement définitif sur l'appareil.

Nous pouvons faire cependant un certain nombre de constatations qui nous donnent une idée des possibilités de ce type d'appareil. La technologie de l'appareil est simple, et son prix de revient assez bas ; il demande par contre un appareillage annexe assez important. Il peut être utilisé dans des conditions très variées comme nous l'avons vu. Les valeurs de flux que nous avons mesurées, en utilisant des échantillons de plomb ou de bismuth varient entre 0, 5 et 115 mW par gramme. S'il semble difficile de descendre au-dessous de 0, 5 mW/g il est par contre possible en utilisant des matériaux légers de mesurer des échauffements de l'ordre de quelques watts par gramme. La précision que l'on peut obtenir est la précision des mesures de puissances électriques ; elle est de l'ordre de 2 pour cent avec le matériel uti- lisé ; on peut l'augmenter, si nécessaire, en utilisant des appareils plus précis.

Enfin, outre ses possibilités de mesures absolues d'échauffements, l'appareil peut être utilisé en mesures relatives avec, dans des conditions particulières d'emploi telles que dans le D. S. 5., de bonnes performances.

Manuscrit reçu le 27 juillet 1962.

B I B L I O G R A P H I E

CALVET E., PRATT H., Microcalorimétrie.

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MAS P . , SCIERS P . , DROULERS Y., Etude théorique et expérimentale d'une technique calorimétrique (note int. C.E. N.G.).

MANENT G., Etude d'un calorimètre pour la mesure d'un flux y (note int. CEN-FAR).

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