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Détection de rayonnements et instrumentation nucléaire
INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES ET TECHNIQUES NUCLÉAIRES
Abdallah LYOUSSI
Détection de rayonnements et instrumentation nucléaire
GÉNIE ATOMIQUE
Détection de rayonnements et instrumentation nucléaire
Abdallah LYOUSSI
Avec la contribution de : François FOULON, Serge HAAN, Bernard LESCOP, Loredana MANDUCI et Annick NGUYEN
17, avenue du Hoggar Parc d’activités de Courtabœuf, BP 112 91944 Les Ulis Cedex A, France
Illustrations de couverture : Le réacteur expérimental EOLE, de très faible puissance, est destiné aux études neutroniques de réseaux modérés, en particulier ceux des Réacteurs à Eau Pressurisée industriels. cPhilippe Stroppa/CEA.
Imprimé en France
ISBN : 978-2-7598-0018-6
Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés, réservés pour tous pays. La loi du 11 mars 1957 n’autorisant, aux termes des alinéas 2 et 3 de l’article 41, d’une part, que les « copies ou reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective », et d’autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d’exemple et d’illustration, « toute représentation intégrale, ou partielle, faite sans le consentement de l’auteur er ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite » (alinéa 1 de l’article 40). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles 425 et suivants du code pénal.
cEDP Sciences 2010
«Whenever a nuclear physicist observes a new effect caused by an atomic particle, he tries to make a counter out of it.»
McKAY, 1953
Table
des
matières
Préfaces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .
Chapitre 1 : Introduction Chapitre 2 : Interactions des rayonnements avec la matière 2.1. Les différents types de rayonnements nucléaires. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1. Les particules chargées. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2. Les particules non chargées ou neutres. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3. Notions de probabilité d’interaction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4. Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Interaction des particules chargées avec la matière. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1. Interaction des particules chargées lourdes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2. Interaction des particules chargées légères. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Interaction des particules non chargées avec la matière. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1. Interaction des rayonnements X etγ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2. Atténuation des photons X etγ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4. Interaction des neutrons avec la matière. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1. Diffusion élastique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2. Diffusion inélastique (n,γn). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.3. Capture radiative (n,γ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.4. Réactions nucléaires d’absorption. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.5. Réaction de fission. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5. Exercices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chapitre 3 : Détecteurs de rayonnements nucléaires 3.1. Caractéristiques principales des détecteurs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1. Les paramètres propres aux dispositifs de détection et à leur mise en œuvre.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Détecteurs à remplissage gazeux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1. Principe de fonctionnement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2. La chambre d’ionisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3. Le compteur proportionnel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.4. Le compteur Geiger-Müller. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.5. Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
xi
3 4 4 6 7 7 11 19 26 26 35 39 40 41 41 42 43 46
56
56 64 65 69 75 78 80
viii
3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7.
Détection de rayonnements et instrumentation nucléaire
Détecteurs à scintillation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80 3.3.1. Principe de fonctionnement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80 3.3.2. Les scintillateurs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82 3.3.3. Propriétés des scintillateurs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85 3.3.4. Le photomultiplicateur ou PM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86 3.3.5. Applications des détecteurs à scintillation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88 3.3.6. Exercices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89 Détecteurs à semi-conducteurs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91 3.4.1. Généralités. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91 3.4.2. Principe de fonctionnement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92 3.4.3. Applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .96 Détecteurs de neutrons. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99 3.5.1. Détecteurs à remplissage gazeux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99 3.5.2. Scintillateurs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104 Autres types de détecteurs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106 3.6.1. Détecteurs Cerenkov. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106 3.6.2. Émulsions photographiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106 3.6.3. Détecteurs solides de traces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .108 3.6.4. Détecteurs à changement de phase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109 3.6.5. Détecteurs chimiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109 3.6.6. Détecteurs thermoluminescents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110 3.6.7. Détecteurs photoluminescents et détecteurs minéraux par coloration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111 3.6.8. Détecteurs à activation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111 3.6.9. Calorimètres, bolomètres. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113 3.6.10. Détecteurs à transfert de charges – Collectrons ouSelf Powerd Neutron Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .114 Exercices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118 3.7.1. Chambre à fission. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118 3.7.2. Compteur proportionnel à triflurure de bore (BF3). . . . . . . . . . . . . . .119 3.7.3. Scintillateur et production de photoélectrons dans le PM. . . . . . . .120 Chapitre 4 : Statistiques appliquées aux mesures de rayonnements Généralités sur les incertitudes de mesure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123 Statistiques et mesure de rayonnements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124 4.2.1. Notions élémentaires de statistique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125 4.2.2. Lois de distribution de probabilité dans les mesures de rayonnements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .129
4.1. 4.2.
Chapitre 5 : Instrumentation neutronique pour le contrôle commande des réacteurs nucléaires 5.1. Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139 5.2. Détecteurs de neutrons appliqués à l’exploitation des réacteurs. . . . . . . . . . .140 5.2.1. Compteur proportionnel à dépôt de bore. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 141 5.2.2. Chambre d’ionisation à dépôt de bore. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .141 5.2.3. Chambre d’ionisation à dépôt de bore compensée gamma. . . . . . .142 5.2.4. Chambre à fission. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .143
Table des matières
5.3.
5.4.
ix
Chaînes de mesure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145 5.3.1. Mode impulsion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145 5.3.2. Mode courant. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .147 5.3.3. Mode fluctuation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148 5.3.4. Modes et régime de fonctionnement des détecteurs. . . . . . . . . . . . .148 5.3.5. Vérification périodique des chaînes de mesure. . . . . . . . . . . . . . . . . .149 Chaînes neutroniques utilisées sur les REP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .149 5.4.1. Chaîne niveau source. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150 5.4.2. Chaîne niveau intermédiaire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150 5.4.3. Chaîne niveau puissance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .151
Chapitre 6 : Exemples de méthodes de mesures photoniques et neutroniques dans l’industrie nucléaire 6.1. Spectrométrie gamma et X. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.1. Principe physique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.2. Les détecteurs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.3. Électronique associée. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 6.1.4. Acquisition et traitement du signal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.5. Domaines d’application. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.6. Principales limitations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2. Mesure neutronique passive. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 6.2.1. Comptage neutronique total. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.2. Comptage des coïncidences neutroniques. . . . . . . . . . . . . . . 6.2.3. Comptage des multiplicités neutroniques. . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.4. Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
Annexe A : Électronique associée aux détecteurs de rayonnements
Annexe B : Annales des sujets d’examens de Génie Atomique De 20032004 à 20092010
Annexe C : Corrigé des sujets d’examens de Génie Atomique De 20032004 à 20092010
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
156 156 157 159 161 163 164 165 165 170 174 175
Annexe D : Unités, constantes et grandeurs fondamentales en physique