Mécanique et électronique auxiliaires de la recherche et ...
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19 59
PREMIER MINISTRE
COMMISSARIAT A
l'ÉNERGIE ATOMIQUE
Mécanique et électronique auxiliaires
de la recherche et de l'exploitation nucléaire
par
J. WEILL
COMMISSARIAT A L'ÉN::RG!E ATOMIQU~
BlBLIOTHÈQUE
Rapport CEA n° 1279
CENTRE D'ÉTUDES NUCLÉAIRES DE SACLAY SERVICE DE DOCUMENTATION
Boite postale n° 2 - Gif·sur·Yvelle (S.-et 0.)
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WEILL J. "
Report CEA n• 1279
Mechânics and elec:tronics as auxlliary techniques in nuclear research and exploitation.
Summary. - Electronlcs and mechanlcs form the basle techniques used ln the field of measurement and control in nuclear physics experimenta, and in nuclear machine installa· tions.
The delegate describes sorne instruments typical of the use of these techniques in the fields of calculation, detection, amplification and nuclear Installations.
1959 8 pages
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~1 écaniqtte et Electronique
attxiliaires de la recherche
et de l'exploitation nucléaire <L>
Par
J. WEILL Chef du Groupe Contrôle de s R~acteun
DépartemMt Electronique
Centre d ' Etudes nucleaires d e Saclay
SOMMAIRE
L'électronique et la. mécanique constituent les techniques de base utillsées clans le domaine des mesures et du contrôle effectués dans les ext•érlences de physique nucléaire e t dans les insta.lla.tlons des engins nucléaires.
Le Conférencier décrit plusieurs apt•areils caractéristiques de l'emploi de ces techniques dans les domaines du caJcul, des détecteurs, de l'amplification et des lnstalla.tlons nucléaires.
INTRODUCTION
LE titre de la conférence à caractère général qui nous a été demandée correspond à un domaine extrêmement vaste de la recherche et de l'ex
ploitation nucléaires. Il ne pourrait y avoir « énergie atomique » sans l'apport conjoint de ces deux disciplines.
Nous pensons ne pouvoir faire mieux, pour montrer tous les aspects de cette liaison très étroite, que de présenter ici les divers domaines et réalisations de la r echerche nucléaire. C'est donc à une véritable visite à travers les établissements du Commissariat à l'Energie atomique que nous convions tous ceux que ces problèmes intéressent.
Cette présentation ne peut prétendre être complète. Nous avons tenu à présenter quelques réali sations types montrant les emprunts qu'elles ont été amenées à faire dans les domaines de la mécanique et de l'électronique.
Il l Conférence prononcèo le 8 mars 1967 à la Salle Cha lell. 11. avenue H oche. ~ Pa ris CS• l .
1. - L'APPAREILLAGE
1) Les calculateurs Les résultats des calculs théoriques, préludes à
toute étude d'appareil de grosse envergure comme le sont les piles et les accélérateurs conduisent très souvent à des systèmes d'équation extrêmement complexes nécessitant l'emploi de machines à calculer analogiques et digitales.
La figure 1 représente l'installation de calcul analogique du centre de Saclay. Cette calculatrice a permis, entre autres problèmes, de déterminer les conditions d'injection dans un accélérateur linéaire et la dynamique d'un r éacteur énergétique suivi de son circuit d'utilisation thermique. Signalons à titre d'exemple que ce dernier problème comprend environ 40 équations dont 20 équations différentielles à coeff icient variable. La machi ne utilise des amplificateurs à courant continu, des multiplicateurs électroniques ou électromécaniques, des générateurs de fonction mécaniques.
Une machine arithmétique est en cours d'installation à Saclay, elle permettra d'autres études plus précises sur le calcul des réacteurs en particulier.
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Jo-:.1K.t'mhlf' du C"lllrul a nalo1f1qur elu rf'ntrf• dP ~ntla).
2) Les détecteurs de rayonnement
Le domaine des détecteurs est l'un des plus importants et des plus fondamentaux dan.s l'appareillage de la recherche et de l'exploitation nucléai res. Le11 détecteurs sont suivis d'un matériel électronique d'amplification et de mesut·e. La figure 2 montre
FIL:. '' !"lutlnn m,o;t(\orQio&elquf' ('OOlJ•INfl. <Do~. C.IJ:.J\.)
une station dite météorologique du type de celles qui sont installées aux alentours de nos centres nucléaires. Son but est de déceler les poussières radioactives par filtra t ion puis comptage par compteur proportionnel ainsi que les gaz radioactifs par chambres d'ionisation et amplif icateur à courant continu. Les figures 3 et 4 montrent les détails de l'appareil aspirant les poussières et permettant de doser leur radioactivité.
Pour le do.sage très délicat du radon l'emploi de la technique de.s compteurs à scintillation s' impose. La figure 5 représente un ballon scintillateut· et son photomultiplicateur.
Quittons le domaine de la protection pour celui de la recherche. Seuls quelques exemples peuvent être donnés : tracé du spectre gamma d'un émetteur radioactif par photomultiplicateur et sélecteu r électronique à bande se déplaçant par balayage a utomatique (Fig. 6) ; détermination de l'âge des fossiles (jusqu'à 50 000 a ns) par dosage du carbone-14 (émetteur ~) (Fig. 7 ) . Ce do.sage extrêmement délicat fait intervenir toute la technique des an ticoïncidences nécessaires pour ces t r ès faibles taux de comptage.
Dans un troisième domaine, celui de la prospection, nous trouverons les appa t·ei ls mohile.s portatifs à compteur Geiger et intégrateurs électroniques
Jln~f'Ur clf' JI01UIMI('rl~ ( JlrO(IJ ) , (Doo. C .E.A.)
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flJ(. ~ . Doseur de pou•sl~r~ (faeP) . Cl)oc. c. ~:.A. l
S1n~ctru.cravh•• gaumua à rourbr. 1 Doc. C.E.A . 1
1 1~:. 'l. - nlitemllnatlon dr. l "Age par le rari.Hlnt> 14. (Doc. <'.KA.)
1' 1,;. 5. - IJu• age du radon. (Doc. C.E.A. )
Fig. 8. - Appareil portatif de proopedlon lfgèrr. (Doc. C.E.A.)
(Fig. 8), les mêmes appareils plus sensibles pour prospection automobile (F ig. 9), les sondes à compteur Geiger pour la détermination de l'activité des f ilons uranifères (Fig. 10) ainsi que des camions complets de prospect ion radioact ive à grande profondeur.
t' lg. 8. - Appareil de prospection a utomobllr. (Doc. C.E.A .)
J•'lg. 10. - Snnde df.' J • ro~ l)t•rtlon r n f orRC't' . (Doc. C.E .A.)
Il. - LES GRANDS APPAREILS
La mécanique et l'électronique ne sont pas l'apanage des pet:ts er.sembles. Le.s grands appareils nucléaires fon t également un usage extrêmement complet dP ces techniques.
1) Les accélérateurs
L'accélérateur Van de Graaff de Saclay esl capable de produire une tension de 5 millions de volts utilisée pour accélérer des protons ou des deutons avec des intensités de J'ordre de 10 tiA· Il utilise une enceinte sous 15 kgj cm2 d'Azote mélangé de 10 p. 100 de Fréon. La figure 11 montre l'appareil sous prrssion alors que la figure 12 montre l'inté-
l •'t". I.J . - Géu f·rtattmr Van de Ornarr 1'-\'t'C illa ('l nt•ht•. ('Doc. C.E .A.)
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rieur du générateur ave: se:; plateaux équ ipotenl"e's et les moteurs de courroies. Cet ensemble complexe est commandé à distan(e à partir d'un tableau permettant en particulier des téléréglages de la source d'ions par télécommande électromécaniqt:e ainsi que des lecture> optiques de l'appareillage interne de la cloche.
Le cyclotron de 300 t de Saclay permet d'accé lérer des deutons ainsi que des ions plus lourds comme le carbone 6 fois ionisé. L'énergie des particules atteint 25 MeV pour les deutons avec quelques microampèrc.s d'intensité. L'oscillateur de ce cyclotron a une puissance d'alimentation de 400 kW sous la fréquence de 10 mégacycles (Fig. 13). Toutes les opérations d'utilisation se font du côté cible (Fig. 14) et les commandes ainsi que les mesures se font à distance.
L'accélérateur linéaire en cours d'installation à Saclay se réserve d'accélérer des électrons et de leur communiquer une énergie de 28 MeV sous régime pulsé t ransportant 85 milliampères en crête et 85 microampères en courant moyen. Il utili.">e (Fig. 15) la technique des tubes à ondes progressives et sera le plus puissant appareil de ce type connu à ce jour.
Le synchrotron à protons également en cours d'installation sera capable d'accélérer des protons (une fraction de mic1·oampèrc.c;) sous 2,5 milliards
(}én~rateur \ 'n.n clt• (iraaff ( tHn·t•rU . (Doc. C. E .A. l
l"i(. 13. ( hrlllatt•nr d~ f")r!otruu ( \tif' arrh\ rt•). ( Doc. C. E .A .)
J•' ilt'. 14. - Vue a •·ant du ryclut run. (Doc. C.E.A.)
Fil;'. IG. - A cr•élfonl1rur llnéulre. A stJrt•t du tutU.' rtcct'l~rat~ur rn cours d'essais.
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rsatunll'. Vue de l'u lma nt m ont é, t·u cuu rs llu talaue.
Fig. 17. - l'lie de Ch&!Ulon . « Zoé » llT~ml~ro• J>lle a tom lq o,.. fmnr alse ( face sud) .
(Doc. C'.E.A.)
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l"lk At111llo n dt• ~ü(ht)' , ([)Oc. C I!:.A. I
FI::. us. - Pl!e dr ("h~tl.lon, 'J'ablrau clr rom 1nU1dt> d•• « Zoé ». (Doc. C.E.A.)
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t 'Ir. 2 1. - Aquilon. f-it-r\ tHufeanlsme d~ JJIO.qu ,. dt• rf'JCIUJtt'. (Doc. C .K A. 1
( •t·ntrt' dt• :.\l a rronl... l ' llp Gl . \ 'ue d.. la pll1·, {'ôt# rhargt•mt>nt.
(Doc. C. KA .1
d'électrons-volts Il permettra d'aborder pour la première fois en France toute la physique des très hautes énergies. Cet ensemble (Fig. 16) de plus de 3 000 t repose sur des vérins hydrauliques permettant de le caler à 1/ 100 de millimètre près ; son diamètre de 16,50 rn peut être ajusté à 1/ 10 de millimètre, cet ensemble de réglage permet d'obtenir une bonne focalisation indispensable à la bonne marche de l'appareil. Les particules seront injectées dans cet appareil par un générateur Van de Graaff de 3.6 millions d'élecüons-volts. La chambre à proton a 30 cm de large sur 8 cm de hauteut·. L'appareil est alimenté par un alternateur à volant de 4000 kVA, donnant une impuls ion toutes les 3 secondes. L'alimentation haute fréquence se fait sous une fréquence de 8 mégacycles.
2) Les piles La pile de Chatillon, première pi le française
(Fig. 17) donne une puissance de 150 k\V. Son cœur est à eau lourde et uranium naturel. Elle permet en particulier des études de protection et des expériences de physique sur la pureté des matériaux nucléaires. Elle est, comme toutes les piles, entièrement télécommandée depuis un tableau (Fig. 18) où sonl groupées les techniques de télémesure et de téléréglage par servomécan i ~mes .
La pile P2 de Saclay (F ig. 19) d'une puissance de 2000 kW est refroidie au gaz sous pression ; c'est la première réalisation mondiale utilisant ce mode de refroidi.ssement. Son f lux de neutrons est utilisé tant pour des irradiations que pour des expéri ences sur les neutrons. Son tableau de commande comporte plus de 300 tubes électroniques et utilise des amplificateurs magnétiques pour les servomécanismes des barree de réglage. La pi le P2 a été probablement la première pile mondiale équipée d'un pilotage automatique permettant de maintenir la puissance stable :\ 2/ 10 000 près.
[,a pile Aquilon de Saclay (Fig. 20 ) est une pile de très faible puissance destinée à l'étude des rés ea ux de barres d'uranium dans l'eau lourde ou légère.
Un servomécanisme commandé du tableau de contrôle pe1·met de glisser entre la cuve et le réflecteur un écran de cadmium supprimant latéralement l'eff et du réflecteur. Elle comporte de ce fait 2 servomécanismes (à amplificateurs magnétiques) pour deux plaques de réglage verticales, ~ J!ervomécanism CB pour deux plaques de réglage hor izontales (entre la cuve et son réflecteur inférieur en graphite) ainsi que 2 mécanismes de barres de compensation. La f igure 21 montre un des servomécanismes de plaque de réglage verticale ainsi qu'une partie du treuil de commande de l'écran de cadmiu m.
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Crntr~ d e ~tareouiP. Pilf' Gl. 1~up1frP dt• I'Ommllnlle du clk!har,Jte.mPnt.
La pite G1 de Marcoule Pst la première pile fmnçaise à graphite (Fig. 22). Son refroidissement est assuré par un courant d'air en circuit ouvert actionné par d€8 soufflantes de puissance totale d'environ 10 000 kW. Cette pile de 40 000 kW de puissance a pour but essentiel la fahl'ication de plu tonium. Elle est munie d'un appareillage électromécaniqu e de chargement et de déchargement extrême-
ment important (Fig. 23 et 24) ; au tableau de commande convergent plus de 10 000 télémesures et il permet la télécommande de 36 barres de réglage et de >~écurité.
CONCLUSION
Cette revue hâtive des réalisations françaises dans le domaine atomique indique amplement la part fondamentale qu'y trouvent les industries mécaniques et électroniques. S'il nous est difficile de chiffrer l'importance du domaine mé<:anique qui atteint plusieurs dizaines de milliards d'investissement par an et emploie plusieurs milliers de techniciens, indiquons cependant que le domaine de l'électronique atteint à lui seul, à l'heure actuelle, un investissement de l'ordre de 2,5 milliards par an et emploie quelques 600 techniciens de l'électronique.
'l'ou.s les domaines de la mécanique semblent utilisés depuis la mécanique de précision des servomècanismes jusqu'aux immenses réalisations telles que les piles qui comme la pile Gl représentent de.s assemblages de plus de 40 000 t. Il en est de même de tous les domaines de l'électronique, depuis 1e courant continu jusqu'aux hyperfréquences avec toutes les réalisations modernes de l'automatisme.
J. WEILL
Extrait du Bulletin S. F. M . No 25 (3• trimestre 1957)
Éditions Science et Industrie