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.

( 't•nt rf" dt" :\tar::-oult>. l 'JI .. r.J . \ "up dt" hl Jlllr. r6té «'hllrx'f•m t'nt.

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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