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Submitted on 1 Jan 1954
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Mesure des réactivités dans une pile
Jacques Bernot, Victor Raievski
To cite this version:
Jacques Bernot, Victor Raievski. Mesure des réactivités dans une pile. J. Phys. Radium, 1954, 15
(5), pp.359-365. �10.1051/jphysrad:01954001505035900�. �jpa-00234933�
MESURE DES RÉACTIVITÉS DANS UNE PILE (1)
Par JACQUES BERNOT et VICTOR RAIEVSKI,
Service de la Pile de Saclay, Commissariat à l’Énergie atomique.
Sommaire.
2014Nous reprenons ici de façon plus didactique, l’exposé d’une méthode de comparaison
des effets de divers paramètres
surla réactivité d’une pile. Cette méthode de comptage, appliquée à
une
pile essentiellement sous-critique, nécessite la déterminaion absolue de l’un des effets
aumoins.
Nous
avonsprocédé à cet étalonnage, à la fois par le calcul et par l’expérience, pour la variation du niveau d’eau. Les résultats sont
enbon accord relatif, mais montrent
undésaccord important quant
aux
valeurs absolues.
LE JOURNAL DE PHYSIQUE ET LE RADIUM. 15, 1954,
Introduction.
2013La methode sous-critique a deja ete exposee [1], [1’]. Nous allons en reprendre
ici 1’expos6 de façon plus didactique, a la lumiere
de nouveaux resultats.
Cette methode de comptage presente sur les diver-
gences les avantages suivants :
2013 les mesures sont rapides. En particulier, dans
le cas d’une pile a eau lourde, celle-ci n’etant pas activ6e, elles peuvent etre effectuees a intervalles
rapproch6s, determines par le temps de stabili- sation ;
2013
les mesures sont pr6cises et reproductibles,
car on effectue des comptages sur une pile stable.
Ceci est tres interessant pour les faibles variations de r6activit6, difficilement mesurables par la m6thode
cinetique;
-
on peut mesurer les grandes variations de r6activit6 sans danger, car la pile, sous-critique,
est toujours contr6l6e.
Par contre, cette m6thode ne permet que la
comparaison des effets entre eux et nécessite la détermination en valeur absolue de l’un d’eux au moins. Nous avons choisi comme etalon la valeur de 1’effet d’une variation de
Imm du niveau d’eau a partir d’un niveau critique donne. Cette d6ter- mination a ete faite a la fois par le calcul et par des experiences de divergences (m6thode cin6tique).
1. Principe de la m6thode sous-critique.
2013On sait que dans une pile convergente (k 1) la
densite neutronique en tout point est inversement
proportionnelle a la r6activit6 :
Le taux de comptage d’un compteur a neutrons (1) Ce travail
afait 1’objet d’une Communication
auCongres Heavy Water Reactor Conference qui s’est tenu à Oslo du
i i au14 aout zg53.
place en un point fixe de la pile est donc lui aussi inversement proportionnel a la r6activit6 :
a condition que le facteur A, proportionnel au
rapport nd de la densite a 1’endroit du detecteur
a la densite moyenne dans toute la pile, reste cons-
tant quand on fait varier k.
S’il en est ainsi, on a pour chaque ki realise
ce qui permet de comparer entre eux les effets pi
sur le facteur de multiplication de divers para- m6tres, et de les exprimer tous en fonction d’un seul. po, pris comme reference.
2. Param6tre de reference.
-Le param6tre de
reference le plus ad6quat serait, dans le cas de la pile de Saclay, 1’effet d’une quantite connue d’azote
dans le circuit de refroidissement. Cet effet est pro-
portionnel a la pression. Mais nous n’avons pas la
possibilite de la mesurer avec assez de precision
d’une part, et d’autre part le domaine de variation de 1’effet est restreint.
Nous avons prefere adopter comme paramètre de
reference la réactivité plte (:lh) due a une varia-
tion Ah du niveau d’eau lourde a partir d’un niveau critique hI, determine. Cette r6activit6 n’est pas
rigoureusement proportionnelle a Ah. Le calcul
(voir Appendice) v6rifi6 par 1’experience en ce qui
concerne les valeurs relatives, donne
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:01954001505035900
360
la longueur de migration M, du
«laplacien
»de la
2
pile 80 et du
«laplacien axial
»B2ac
=(Hc )2.
H est la hauteur de la pile nue 6quivalente, 6gale
a h + 35 cm dans le cas de la pile de Saclay (h, hau-
teur vraie du milieu multiplicateur). Le tableau
suivant donne quelques valeurs de x (hc) :
Cette loi permet ainsi de ramener des mesures
faites a différents niveaux a l’effet d’une variation 3h a partir d’un niveau critique donne.
3. Condition d’application de la methode sous-critique. Exemples.. - R6p6tons que, pour
appliquer la m6thode sous-critique, il faut que Ie facteur nd
ndans (1) reste constant.
A. CAS ou A RESTE CONSTANT.
-a. Variation du niveau d’eau lourde.
2013Pour des variations limit6es
Fig.
I. -Densite neutronique.
du niveau autour du niveau critique, la r6par-
tition neutronique dans la pile reste tres proche de
la r6partition fondamentale et la position du
maximum varie peu en hauteur (fig. i). On peut
alors considerer nd comme constant, a condition de
n
prendre soin de placer Ie compteur dans le plan
moyen du maximum de densite.
Lorsque h varie au-dessous du niveau critique h ,
on doit avoir d’apres (1) et (3)
La représentation graphique H H2 en fonction de H2 C
(fig. 2) donne bien expérimentalement une droite (2)
pour divers he et pour hc- 20 cm / h hc, ce qui implique A constant et permet en outre de d6ter- miner h,.
(2) Ces droites seront appel6es dans la suite de cet article droites H2/C H2
b. Autres perturbations : Introduction de faibles
absorbeurs localisés.
2013L’introduction dans la pile
d’un petit morceau de cadmium, par exemple,
a pour effet d’une part de faire d6croltre la densite
Fig.
2. -Droites experimentales c. H2 H2
neutronique de facon homogene dans son ensemble,
d’autre part de la deformer au voisinage de 1’absor- beur. Si Ie volume perturbe est faible devant Ie volume total de la pile et si Fen prend soin de placer Ie compteur en dehors de la zone perturbee,
alors nd n’est pratiquement pas modifie, ainsi donc
n
que A.
Nous avons mesure a 1’aide d’un d6tecteur continu [2] la depression due a un petit cylindre de
cadmium de diamètre 25 mm et hauteur 60 mm.
L’exp6rience montre que la depression est tres
locale (fig. 3). Ce resultat est d’ailleurs confirm6 par 1’etude du signal local et du signal d’ensemble
dans les m6thodes d’oscillations [3], [4], [5].
Fig. 3.
-Depression due a
unabsorbeur localise.
Plaques de réglage.
-Les plaques de r6glage repr6sentent une absorption beaucoup plus impor-
tante déjà, mais nous avons Ih encore, vérifié exp6-
rimentalement de deux façons diff6rentes que la
perturbation qu’elles apportent est faible :
-
une mesure directe de la depression [6] à
I’aide d’un detecteur continu [2] a ete faite qui
361 montre, d’une part que la deformation ne s’etend
pas a plus de 3o cm de la plaque, d’autre part que la variation relative de n est inf6rieure a 25o. 10-5;
-
le rapport des taux de comptage de deux
d6tecteurs places a des distances diff6rentes d’une
plaque enfonc6e reste constant, ce qui montre
encore que la deformation est locale.
Pression d’azote.
-On peut considérer la répar-
tition de l’ azote de refroidissement dans la pile
comme homogène, ce qui a pour consequence de
faire varier k,, donc de conserver la forme de la r6partition spatiale dans son ensemble.
Pour mesurer 1’effet sur la r6activit6 d’une de
ces perturbations, on opere par comparaison avec
1’effet d’une variation connue du niveau, a l’aide de (2). La pile etant critique, dans une premiere experience on introduit l’absorbeur a mesurer, ce
qui donne un taux de comptage C1 correspondant à
un effet Ak. On retire I’absorbeur et Fon baisse le niveau d’une quantite 6.h : on obtient ainsi le taux de comptage C2 correspondant a ph,(-,Ah) donne par (3). On a
On peut en particulier exprimer Ak en millimetres d’eau equivalents a partir de he en cherchant Ie 3h pour lequel C2 = Cl.
On peut aussi determiner cet effet 3k en cher- chant le nouveau niveau critique H(. de la pile perturbee droite H2 Ceci revient a chercher la
C
quantite d’eau Ah
=H;.- Hc dont l’effet compense exactement celui Ak de la perturbation. La valeur num6rique
deduite par ce procédé est en parfait accord avec
celle pr6c6demment d6termin6e, ce qui montre que l’effet de la quantite d’eau 3h ainsi ajoutee a la pile perturbee est le meme que pour la pile non perturbee. Les effels des diverses perturbations énu-
mérées sont pratiquement indépendants et s’aioutent algébriquement. 11 faut bien voir que ceci n’est valable que pour Ie niveau d’eau et une autre pertur-
bation ou deux autres perturbations locales et géométriquement éloignées. Ceci est approxima-
tivement v6rifi6 d’autre part par la mesure des pentes des droites expérimentales h2/C H2 qui sont pro-
portionnelles a
a(he), les divers hc. 6tant realises à 1’aide des perturbations cit6es.
Remarquons que ce resultat constitue une confir- mation de I’hypoth6se toujours faite implicitement
dans la mesure d’un effet par la m6thode cin6tique.
En effet, dans cette m6thode, ayant realise Ie niveau
critique h;. pour la pile perturbee, on retire 1’ele- ment perturbateur, et l’on dit que son effet etait
l’oppos6 de celui que l’on deduit de la mesure du
temps de montee de la pile ainsi divergente. Or cet effet rr2esure correspond à I’addition de la quantité
d’eau Ah = h’. - he à la pile critique non perturbée.
B. CAS ou A PEUT VARIER.
-C’est Ie cas par
exemple des barres de securite dont l’enfoncement dans la pile perturbe fortement la r6partition
de la densite neutronique, et ne permet plus de
considerer A comme constant.
On mesure 1’effet d’une forte perturbation en le comparant a celui dt a 1’addition d’une seconde
perturbation, connue et faible, pour ne pas affecter de nouveau A. L’effet resultant est la somme des effets de chacune des perturbations.
Par exemple, on se place au niveau critique he
et Fen enfonce une barre de securite. On realise ainsi une r6activit6 ð,kn a laquelle correspond Ie
A’
taux de comptage CB = A’, 0394kB ou A’ peut etre
different de A. On modifie alors Ie niveau d’eau et Fon se place a un niveau h’ ~ he. On realise ainsi
une , nouvelle r6activit6 qui, par hypothèse, est
a laquelle correspond Ie taux de comptage
On obtient alors
L’expérience conduite pour différents h’ (ce qui
revient a tracer fa droite H2 H2/C pour la pile avec barre
enfonc6e) donne des resultats coherents :
On voit bien sur ce cas particulier que si l’on se place
au nouveau niveau critique hc, Cn. 3/, devenant infini,
on a
Si l’on applique directement Ie procédé du para-
graphe A sans tenir compte des variations possibles
de A, on obtient .lkn == - 1200. 10-5. Ce resultat
en tres bon accord avec Ie precedent montre que meme dans Ie cas d’une barre de securite, Ie coefh- cient A varie peu.
Ajoutons qu’un calcul direct de 1’effet d’une barre,
a 1’aide d’une theorie correcte a deux groupes [7]
donne la valeur - i i 8o. i o-5 en bon accord avec
les valeurs expérimentales obtenues par compa-
raison a 1’effet calcule d’une variation du niveau
d’eau lourde.
362
CONCLUSION.
-On obtient les resultats suivants :
-
dans pratiquernent tous Ie,s cas, on peut consi-
dérer A comme constant;
-
l’introduction d’un absorbeur, meme localise, peut etre traduite par une variation de koo.
4. Determination de 1’etalon absolu de reac- tivit6.
-Nous avons expose au paragraphe 2
les raisons du choix opere. L’6talon choisi est la valeur de 1’effet sur la r6activit6 du a une variation de
imm d’eau autour d’un niveau critique donne.
A. THEORIE.
-Voir Appendice.
B. EXPERIENCES. DIVERGENCES. - Pour mesurer
experimentalement 6h , nous avons fait appel a la
m6thode classique des divergences, utilisant la
formule de Nordheim pour une pile a eau lourde.
Nous avons adopt6 pour les periodes et pourcen-
tages des diverses especes de neutrons, les valeurs de Hughes [8] en ce qui concerne les neutrons
Fig. 4.
-Divergence*..
retardes, les valeurs de Johns et Sargent [9] pour les photoneutrons.
Remarquons ici que la formule de Nordheim
generalement admise ne tient aucun compte du recyclage des neutrons rapides immediats emis au
cours des fissions rapides. Ce phenomene qui ne
concerne pas les neutrons rapides retardes, d’energie
inferieure au seuil de fission rapide, am6ne a prendre
pour Pi, non la valeur exp6rimentale (3 to , mais une
valeur fii
=03B20i [I + f (03B5)], of f (2) est fonction du
facteur de multiplication rapide, et vaut dans le
cas de la pile de Saclay 0,023.
a. 1B1éthode de mesure et appareillage.
-Pour mesurer la periode de 1’exponentielle divergente,
nous avons utilise le fait que l’int6grale d’une exponentielle est une exponentielle de meme periode;
ce qui nous a amenes a effectuer des comptages
de T secondes s6par6s par T secondes. Nous avons
dispose de deux groupes de comptage identiques
(avec compteurs proportionnels a BF 3)’ disposes
de facon a ce que leurs taux de comptage soient
dans Ie rapport
ooapproximativement (fig. 4).
Ceci de maniere a pouvoir suivre la divergence sur quatre decades environ, nous assurant de 1’extinc-
tion des regimes transitoires et nous lib6rant ainsi
au maximum des fluctuations statistiques, compte
tenu de la correction de temps mort des compteurs (mesuree 6gale a 20 ps). Nous avons pris soin en
outre de r6aliser Ie changement de k aussi rapi-
dement que possible a 1’aide d’une barre de securite auxiliaire.
La m6thode utilis6e permet d’escompter sur les periodes une erreur relative de l’ordre de
2a 3 pour 10o au maximum. L’erreur la plus importante provient des lectures du niveau d’eau lourde qui
ne peuvent se faire a mieux d’un quart ou d’un
demi-millimetre a cause des effets de capillarit6.
Nous avons ainsi determine phcNordheim (~h) pour
Nous avons ainsi déterminé Pjt
differentes valeurs de Ah entre o et 5o mm a quatre
niveaux critiques différents.
b. Résultats.
-Pour chaque niveau critique,
on porte sur un graphique Nrdbeim (Ah) en fonction
de Ah, ou plus exactement en fonction de la quan- tite Hc, H2 -- H2e H propoxtionnelle a P C a Ie u I’ e (Ah) 1.l c et au second ordre pres 6gale a Ah, etant donne les faibles valeurs de Oh considerees. Les points se placent aux erreurs experimentales pres sur une droite, ce qui v6rifle la proportionnalite de pNordheim
a H2 2014H2c , droite dont la pente donne Fh 6k au niveau
critique ha;
On constate directement sur les resultats experi-
mentaux que, pour avoir la meme periode , donc
la meme r6activit6 p, il faut prendre des 3h crois-
sants lorsque he augmente. Ce résultat, independant
de la formule de Nordheim, est en accord qualitatif
avec la th6orie.
Les resultats obtenus sont port6s dans Ie tableau suivant :
On obtient donc une bonne concordance relative entre ces trois series de valeurs, mais un d6saccord flagrant entre les valeurs absolues.
Nous avons ainsi ete amenes a 6tudier de faron critique la formule de Nordheim, en particulier sa
valeur en tant qu’etalon absolu de mesure des r6activit6s.
5. Regimes transitoires.
-Nous avons voulu
verifier en particulier si la periode et 1’amplitude
363 de 1’exponentielle divergente donn6es par la formule
de Nordheinl concordaient avec 1’experience.
10 Principe. - - Lorsqu’on donne a une pile un brusque gain de réactivité p a l’instant zero, le flux croit au cours du temps comme
ou encore
On a
d’ou
La fonction (t)(3) depend faiblement de G (fig. 6)
et 1’erreur resultante As est faible. Mais la for- mule (5) montre que 1’erreur sur A0 croit avec f.
Pour obtenir une valeur correcte de zlo, il ne faut
donc pas attendre, pour faire la mesure de 1T, un temps sup6rieur a la periode ’-0. On est ainsi conduit a etudier la divergence au cours des toutes premières
secondes qui suivent le gain brusque de r6activit6.
2°_ Dispositi f expérimental.
-Nous avons dispos6
au centre de la pile, en plein flux maximum, deux cylindres de cadmium concentriques. Le cylindre ext6rieur, fixe, 21 cm de long, recouvre comple-
tement le cylindre int6rieur, mobile,
20cm, dans sa
position basse, ou il est constamment rappel6 par
un fort ressort. Trois crans d’arret permettent de
maintenir ce cylindre sorti de 20, 15 ou
10cm.
Pour chacune de ces positions, on stabilise la pile
a quelques watts de maniere a avoir une r6activit6
pratiquement nulle.
Fig. 7.
-Etude des regimes transitoires.
On libère alors Ie cylindre interieur qui atteint
sa position basse en une cinquantaine de milli-
secondes. On recueille sur 1’ecran d’un oscillographe bi-spot photographié a 1’aide d’une camera a d6rou- lement continu :
-
les impulsions d’un g6n6rateur 100o p6riodes (plus une impulsion particuliere toutes les
10p6riodes)
pour la mesure du temps;
-
une impulsion donnant Ie temps zero ou Ie cylindre interieur atteint sa position basse;
-
une impulsion tous les
10ocoups compt6s
par un compteur place pres de la cuve. Un comptage
initial suffisamment long permet de determiner tIJ 0
avec precision.
Un second compteur place dans Ie réflecteur.
permet de determiner la p6riode V,, de 1’exponentielle divergente, et par suite de determiner pNordheim.
30 Résultats.
-Nous avons port6 les points exp6rimentaux sur les courbes calcul6es corres- pondant a pNordheim experimental (fig. 8).
(3) Cette fonction
aete calcul6e pour les A, et À, d’une
pile a
eaulourde (B. Jacrot, a paraitre).
364
On obtient les resultats suivants :
L’accord entre les resultats exp6rimentaux et Ie
calcul est satisfaisant et ne permet pas de mettre
en defaut la formule de Nordheim.
Fig. 8. - Regimes transitoires.
6. Conclusion.
-Nous avons mis au point
une m6thode simple et rapide de mesure des reac-
tivit6s par comptage sur une pile sous-critique.
Une m6thode analogue est succinctement d6crite dans un rapport de Johns et Sargent r6cemment
d6class6 [10], mais il ne semble pas qu’elle ait fait 1’objet d’une 6tude systematique.
Cette methode necessite un 6talonnage theorique
ou experimental. Le d6saccord observe entre les valeurs absolues de la r6activit6 ainsi determinees fait actuellement l’objet d’une etude. Rumsey [11]
a tent6 d’expliquer ce d6saccord a la suite des travaux de Bayly [12].
Ajoutons une derni6re preuve en faveur de la coherence de la relation de Nordheim. L’étalonnage
de la puissance de la pile a ete effectue de deux
façons differentes :
-
par une mesure de densite dans le milieu multi-
plicateur ;
-
par une mesure de r6activit6 avec evaluation de la puissance due aux sources spontan6es de fissions, d’apres la relation P= ap° [13]. Les
valeurs obtenues pour la puissance sont en bon
accord avec la valeur cin6tique de la reactivite.
Une confirmation de cet accord se trouve enfin
dans la mesure de la chaleur evacuee par le gaz de refroidissement en marche continue a haute puis-
sance.
7. Remerciements. - Nous tenons a remercier et associer au present travail MM. Jacrot et Netter
qui ont pris une part tres active dans cette etude,
en particulier pour la partie sous-critique. Nous
tenons aussi a remercier vivement MM. Horowitz et Bussac pour les conseils et 1’aide inlassables
qu’ils nous ont apport6s sur le plan th6orique.
APPENDICE.
Th6orie de 1’effet du millimetre d’eau.
2013Le calcul est fait pour une pile cylindrique munie d’un
r6flecteur lateral et inférieur.
On sait que [14] :
Or, dans une pile, les fonctions de r6partition spatiale n1 et n2 dans le milieu multiplicateur et
dans le réflecteur sont repr6sent6es avec une bonne approximation par les solutions de
6crites en theorie a un groupe, oil m depend de la période ’l9 de la pile divergente.
Une bonne solution approch6e de ce système
est [ 15] (fig. g) :
avec les conditions aux limites
Dans l’hypothèse ou Br est constant, ? reste cons-
tant d’apres (7) et
õB1. = &Bg = - ÕW2.
L’equation (6) différenciée donne alors
En tenant compte du couplage des
«laplaciens » B2a et Bji, nous obtiendrions à Ia place de ah un
terme de la forme àh + J. ) [r2C est la vie moyenne dans Ie réflecteur], oÙ I. est de l’ordre de quelques
centimetres pour la pile de Saclay, ce qui constitue
une correction negligeable. KI est une longueur qui
varie peu avec h et qui vaut 35 cm dans Ie cas
de la pile de Saclay. D’autre part, pour de faibles variations du niveau, M2 B2 varie tres peu et l’on
peut écrire
’
Note ajoutee
auxepreuves.
-Un
nouveaucalcul de la lon- gueur de migration dans P 2 vient d’etre fait
entenant
compte d’une fagon plus d6taill6e du transport des neutrons dans les gaines ou circule le gaz de refroidissement. Cet effet est tres important dans le
casd’une pile de forme ramass6e
comme