La présente invention concerne un procédé de contrôle d'un élément du type comprenant un empilement d'au moins deux couches, l'une au moins des couches comprenant un matériau fissile.

L'invention s'applique en particulier, mais pas exclusivement, au contrôle de cibles uranifères destinées à la production d'isotopes par irradiation de la cible. Ces isotopes sont ensuite utilisés par exemple dans le domaine médical. Une telle cible est décrite dans le document US-5 615 238.

Cette cible comprend une feuille d'uranium faiblement enrichi formant la couche de matériau fissile.

Cette feuille est insérée entre deux tubes métalliques, par exemple en aluminium. Une telle cible comprend donc sur sa section courante un empilement d'une couche d'aluminium, d'une couche d'uranium faiblement enrichi, et d'une autre couche d'aluminium.

La feuille d'uranium ne s'étend pas jusqu'aux extrémités de la cible où les tubes d'aluminium sont donc en contact l'un avec l'autre.

La feuille d'uranium et les tubes intérieurs et extérieurs doivent être en contact intime à leurs interfaces. En d'autres termes, les lames d'air présentes aux interfaces entre les couches, du fait notamment de la rugosité des surfaces des couches, doivent être suffisamment minces. Ceci a pour but de garantir une bonne évacuation de la chaleur produite dans la feuille d'uranium lors de l'irradiation de la cible. Ainsi, on évite une élévation de température incontrôlée dans la cible. De même, les tubes doivent être en contact intime aux extrémités de la cible.

Pour contrôler que ces contraintes sont bien respectées, on examine des coupes métallographiques des cibles afin de mesurer l'épaisseur des lames d'air présentes aux interfaces. Un tel contrôle présente de nombreux inconvénients.

Tout d'abord, il s'agit d'un contrôle destructif.

De plus, la découpe des cibles impose des contraintes de sécurité et de sûreté importantes, car elle peut entraîner la production de poudre d'uranium.

Ensuite, il faut gérer les déchets uranifères des cibles contrôlées.

Par ailleurs, l'analyse des coupes métallographiques, et en particulier la mesure des épaisseurs des lames d'air aux interfaces, est très sensible aux conditions de découpe des cibles. Ainsi, un tel procédé s'avère peu fiable et présente une forte incertitude.

Cette technique d'inspection destructive ne peut en outre être conduite que sur un prélèvement statistique des éléments produits.

Enfin, un tel contrôle ne peut être opéré qu'à froid et non pas dans des conditions qui peuvent être représentatives de la température atteinte lors de l'irradiation de la cible.

Ce manque de fiabilité et de précision implique de prendre des marges de sécurité très importantes lors des calculs thermohydrauliques nécessaires à l'élaboration du dossier de sûreté pour l'irradiation des cibles. Les conditions d'irradiation future de la cible peuvent être influencées par ce manque de précision.

Ceci peut conduire, au niveau des fabrications, à la mise en place de critères sévères difficilement atteignables.

L'invention a pour but de fournir un procédé de contrôle qui permette de contrôler plus simplement de manière plus fiable et industrielle, que les couches empilées d'un élément du type précité sont en contact intime à leurs interfaces.

A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de contrôle d'un élément du type comprenant un empilement d'au moins deux couches, l'une au moins des couches comprenant un matériau fissile, caractérisé en ce que le procédé comprend une étape de détermination de la résistance thermique d'au moins une interface entre deux couches de l'élément.

Selon des modes particuliers de réalisation, le procédé peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - l'étape de détermination est effectuée grâce à des moyens informatiques de détermination,

- il comprend des étapes de :

- application d'une sollicitation thermique sur une première face de l'élément, et

- mesure de l'évolution de la température sur une deuxième face de l'élément, - la sollicitation thermique est sensiblement une impulsion de Dirac,

- le procédé comprend une étape de comparaison de la résistance thermique déterminée ou d'une grandeur représentative de la résistance thermique déterminée avec une valeur seuil pour rendre un verdict sur la conformité de l'élément. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en œuvre d'un procédé tel que défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de détermination de la résistance thermique d'au moins une interface entre deux couches de l'élément.

Selon des modes particuliers de réalisation, le dispositif peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :

- les moyens de détermination sont des moyens informatiques de détermination,

- il comprend des moyens d'application d'une sollicitation thermique sur la première face de l'élément et des moyens de mesure de l'évolution de la température sur la deuxième face de l'élément,

- les moyens d'application de la sollicitation thermique sont adaptés pour produire une sollicitation thermique sensiblement sous la forme d'une impulsion de Dirac, - il comprend des moyens de comparaison de la résistance thermique déterminée ou d'une grandeur représentative de la résistance thermique déterminée avec une valeur seuil pour rendre un verdict sur la conformité de l'élément.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels :

- la figure 1 est une vue schématique, en perspective et partiellement arrachée, d'une cible uranifère sur laquelle le procédé de contrôle selon l'invention peut être mis en oeuvre,

- la figure 2 est une section transversale schématique de la cible prise suivant le plan M-Il de la figure 1 ,

- la figure 3 est une vue schématique illustrant un dispositif de contrôle selon l'invention sur lequel la cible de la figure 1 est montée,

- la figure 4 est une vue schématique en perspective et agrandie d'une partie du dispositif de la figure 3, et - la figure 5 est un diagramme illustrant l'évolution des températures mesurée et calculée par le dispositif de contrôle de la figure 3.

La figure 1 illustre une cible uranifère 1 pour la production d'isotopes radioactifs, par exemple pour une utilisation dans le domaine médical.

Cette cible 1 sensiblement cylindrique comprend : - un tube intérieur 3 métallique, par exemple en aluminium,

- deux feuilles d'uranium 5 disposées autour du tube intérieur 3, cha¬ cune de ces feuilles 5 s'étendant sur un angle d'environ 180° autour de l'axe longitudinal A de la cible 1 , et

- un tube extérieur 7 en aluminium. Le tube intérieur 3 présente un rebord 8 en saillie radiale à chacune de ces extrémités. Ces deux rebords 8 délimitent un logement dans lequel les feuilles 5 sont disposées.

On observera que la couche fissile formée par les feuilles 5 est discontinue, puisqu'un espace angulaire 9 (figure 2) est prévu entre les bords longitudinaux 10 en regard des feuilles 5. Les tubes 3 et 7 ont par exemple des épaisseurs d'environ 3 mm.

Les feuilles 5 ont par exemple une épaisseur de 125 μm. Afin d'éviter l'interaction entre les feuilles d'uranium 5 et les tubes 3 et 7, les feuilles 5 sont enveloppées individuellement dans des fines feuilles de Nickel, par exemple de 15 μm d'épaisseur.

Ainsi, pour chaque feuille d'uranium 5, une première partie 11 de la feuille de Nickel correspondante est intercalée entre le tube intérieur 3 et la

feuille 5, et une deuxième partie 13 de la feuille de Nickel est disposée entre la feuille 5 et le tube extérieur 7.

Pour réaliser la cible 1 , les feuilles 5, préalablement enveloppées dans leurs feuilles de Nickel, ont été introduites entre les rebords 8 du tube intérieur 3. Le tube intérieur 3 a ensuite été introduit dans le tube 7.

Un outil a alors été inséré dans le tube intérieur 3 pour déformer plastiquement à froid à la fois le tube intérieur 3 et élastiquement le tube extérieur 7, puis les extrémités des tubes 3 et 7 ont été soudées.

La déformation plastique du tube 3 et la déformation élastique du tube 7 permettent de garantir d'une part que les feuilles d'uranium 5, les parties 11 et 13 des feuilles de Nickel, et les deux couches constituées par les tubes 3 et 7 sont en contact intimes au niveau de leurs interfaces, et d'autre part que les tubes 3 et 7 sont en contact intime au droit des rebords 8, c'est-à-dire aux extrémités longitudinales de la cible 1. Afin de s'assurer que les lames d'air présentent aux interfaces entre les feuilles 5, les parties 11 et 13 des feuilles de Nickel, et les tubes 3 et 7 sont effectivement de faible épaisseur, c'est-à-dire qu'il existe un contact suffisamment intime entre les feuilles 5, les parties 11 et 13 et les tubes 3 et 7, on utilise le dispositif de contrôle 15 illustré par la figure 3. Ce dispositif de contrôle 15 comprend :

- des moyens 17 de production d'une sollicitation thermique sur la face intérieure 19 (fig. 1) de la cible 1 ,

- des moyens 21 (fig. 4) de mesure de température sur la face extérieure 23 (fig. 1) de la cible 1 , et - des moyens 25 de détermination des résistances thermiques R des interfaces entre les différentes couches de la cible 1.

Le dispositif 15 comprend également une base 27 prolongée vers le haut par un pied 29 supportant une plaque 31.

Les moyens 17 de production d'une sollicitation thermique comprennent un dispositif électroluminescent tel qu'une lampe flash.

Cette lampe flash 17 comprend un tube enserré entre deux tronçons 33 de raccordement électrique. Les tronçons 33 sont espacés l'un de l'autre et alignés. Ils sont portés par la plaque 31.

Comme on le voit sur la figure 4, les extrémités en regard des tronçons 33 sont munies de bagues 35 de positionnement et de maintien de la cible 1.

Lorsque la cible 1 est montée sur le dispositif de contrôle 15, comme cela est illustré par la figure 4, la cible 1 relie entre les deux tronçons 33 et elle est maintenue dans cette position par les bagues 35. la cible 1 entoure alors la lampe flash 17.

Les bagues 35 sont mobiles par rapport aux tronçons 33 et peuvent plus précisément coulisser le long des tronçons 33 et tourner autour des tronçons 33.

La lampe flash 17 est reliée, via les tronçons 33, à une source 37 d'alimentation électrique, qui est par exemple elle-même reliée au réseau électrique local.

La lampe flash 17 est adaptée pour produire des impulsions thermiques du type Dirac, c'est-à-dire qu'elle produit des décharges énergétiques quasi instantanées.

Les moyens 21 de mesure de la température comprennent un thermocouple qui est disposé dans une ouverture 39 ménagée dans la plaque 31 entre les deux extrémités en regard des tronçons 33. Le pied 29 comprend des moyens 30 de déplacement du thermocouple 21 afin de l'appliquer localement contre la face extérieure 23 de la cible 1.

Ces moyens 30 de déplacement ont été représentés schématiquement sur la figure 3. Grâce à la possibilité de déplacement des bagues 35, il est possible de modifier le point de contact de la face extérieure 23 de la cible 1 où la température est mesurée.

Le thermocouple 21 est relié aux moyens 25 de détermination qui sont formés par exemple par un ordinateur qui comprend lui-même un ou plusieurs processeurs, des moyens de stockage, des moyens d'entrée et de sortie et éventuellement des moyens d'affichage.

Dans l'exemple représenté, il s'agit d'un micro-ordinateur 25 qui comprend notamment un écran 41 , une unité centrale 43 et un clavier 45.

Cet ordinateur 25 est en outre relié à la source d'alimentation 37 de la lampe flash 17 afin de commander son fonctionnement, c'est-à-dire la production d'impulsions thermiques de type Dirac.

On peut modéliser l'évolution de la température dans un élément comprenant plusieurs couches empilées et soumis à une telle impulsion thermique.

Une telle modélisation est décrite dans l'article « Diffusion in composite layers with automatic solutions of the eigenvalue problem » de M. D. Mikhailov, M. N. Ôzisik et N. L. Vulchanov paru dans "International Journal of Heat and Mass Transfert" de 1983, volume 26, n°8, pages 1131 à 1141.

Pour un élément unidimensionnel (variation de la température uniquement suivant l'épaisseur), la température vaut à l'épaisseur x et au temps t :

T _k (x,t) = AT /ON X _k (β _n , x) e- ⁿ (1) Avec pour un élément constitué de m couches : m * f(βn) = ∑ Pk Cp _k J F _k (x)X _k (βn X)dX (2) k=l xk-1 xk N(β _n ) = ∑ Pk Cpk 1 ^ (βn,X)dX (3)

X _t (P _n , X)= A,, (M "" shm[w" ⁽ _k ^X _n ^k e T _k j ^)] +A _t (β _n ) ^άnK sin'^[w _{k n} ^~ e _k γj K W _k , _n .£ Ja. _k (4)

Les valeurs des fonctions propres A _n et des racines β _n sont les solutions d'une équation transcendantale qui peut être résolue par la méthode du

« Sign-Count ». Ces solutions sont fonction des résistances thermiques R des interfaces et du coefficient d'échange h entre les faces de l'élément et l'atmosphère extérieure.

La température calculée est donc fonction des paramètres suivants : λ _n : conductivité thermique de la couche n, p Cp _n : chaleur volumique de la couche n e _n : épaisseur de la couche n, comprise entre les abscisses x _n- i et X _n , R _n : Résistance thermique de l'interface entre la couche n et la couche

n+1 , h : coefficient d'échange avec l'extérieur.

Si on considère que l'impulsion d'énergie arrive sur la couche m, alors le thermogramme en x=0 s'écrit :

L'équation (5) montre que la température est directement proportionnelle à l'énergie Q fournie par la lampe flash 17. Il est donc possible de travailler avec des thermogrammes normes :

L'avantage d'utiliser les températures normées T* est qu'il n'est plus nécessaire de connaître l'énergie de l'impulsion thermique ni la précision du thermocouple 21 utilisé.

Dans l'exemple considéré, on peut modéliser la cible 1 comme étant un élément unidimensionnel comprenant d'un empilement de trois couches, à savoir respectivement le tube intérieur 3, les feuilles d'uranium 5 et le tube extérieur 7.

Pour évaluer l'intimité du contact aux interfaces entre les feuilles 5 et les tubes 3 et 7, le dispositif 25 détermine les résistances thermiques R réelles à ces interfaces. Pour cela, le dispositif de contrôle 25 détermine, grâce au thermocouple 21 , le thermogramme, c'est-à-dire l'évolution dans le temps, de la température normée réelle sur la face extérieure 23 de la cible 1 suite à la production d'une impulsion thermique sur la face intérieure 19 de la cible 1. Un tel thermogramme correspond à la courbe 47 sur la figure 5. Ensuite, le dispositif 25 minimise, au sens des moindres carrés, l'écart

F entre la température normée mesurée T _m * et une température normée calculée T* :

F = ∑ [τmi*-Ti*(R _n ,h,e _n ,λ _n ,pCp _n )] ²

Où n est le nombre d'instants où les températures sont comparées (entre 1000 et 3000 instants).

Un algorithme classique recherche alors les valeurs du coefficient d'échange h et des résistances thermiques R aux interfaces à partir de valeurs initiales. A chaque itération h et R prennent une nouvelle valeur avec h=h+Δh, et R=R.+ ΔR

Les itérations sont arrêtées lorsque l'incrément ΔR est inférieur à 10 ^"7 m ² .K/W pour toutes les résistances et lorsque l'incrément Δh est inférieur à 1 W/m ² .K pour le coefficient d'échange. C'est la précision du calcul.

La courbe 49 sur la figure 5 correspond au thermogramme calculé pour la valeur des résistances thermiques R aux deux interfaces qui permettent la meilleure coïncidence avec le thermogramme mesuré 47.

On notera que cette détermination est faite en supposant que les résistances R sont les mêmes aux deux interfaces.

La courbe 51 de la figure 5 correspond à la différence entre la courbe 49 et la courbe 47. On peut constater que la courbe 51 est bien centrée sur l'ordonnée 0, sauf pour les premiers instants.

Cette mauvaise coïncidence à l'origine entre les courbes 47 et 49 est due au fait que l'impulsion thermique produite par la lampe flash 17 n'est pas un Dirac parfait, mais a une durée d'environ 5 ms. Cette mauvaise coïncidence est également due à un problème de convergence du calcul pour obtenir le thermogramme 49 dans les premiers instants. On peut également envisager une erreur de mesure du fait de perturbations électromagnétiques engendrées par la décharge électrique produisant l'impulsion thermique.

Quoiqu'il en soit, la correspondance entre le thermogramme mesuré 47 et le thermogramme calculé 49 est très satisfaisante.

Elle permet de déterminer de manière précise les résistances thermiques R aux interfaces entre les feuilles 5 et les tubes 3 et 7, car les thermogrammes utilisés sont très sensibles aux valeurs des résistances thermiques R. Dans l'exemple représenté, ces résistances R sont d'environ

1 ,13.10 ^"4 m ² .K/W avec une erreur de 0,07. 10 ^" * m ² .K/W.

Les résistances R dans chacune de ces interfaces correspondent à deux lames d'air de part et d'autre de chacune des parties 11 et 13 des feuilles

de Nickel. Les valeurs déterminées sont très supérieures aux résistances thermiques des parties 11 et 13 seules qui sont de l'ordre de 2,5. 10 ^"7 m ² .K/W.

On peut donc négliger les contributions aux résistances thermiques procurées par les parties 11 et 13 des feuilles de Nickel. Il est alors possible de convertir les résistances thermiques R déterminées en épaisseur de lames d'air ce qui conduit à une épaisseur de 1 ,7 μm pour chaque lame d'air, chaque interface comprenant une lame d'air de part et d'autre de la partie correspondante 11 ou 13 de la feuille de Nickel.

Ainsi, la cible 1 comprend quatre lames d'air de 1 ,7 μm au droit du point de mesure de la température, point qui est en regard d'une des feuilles 5.

Il est donc possible de déterminer l'intimité du contact entre les couches 3, 5, et 7.

Ensuite, on peut par exemple comparer les épaisseurs cumulées des lames d'air, qui sont représentatives des résistances thermiques R déterminées, avec une valeur seuil prédéterminée pour rendre un verdict sur la conformité de la cible 1 pour ce qui concerne l'intimité du contact aux interfaces entre les feuilles 5 et les tubes 3 et 7.

Plutôt que de comparer les épaisseurs des lames d'air à une valeur seuil, on peut comparer la résistance thermique déterminée R avec une valeur seuil prédéterminée afin de rendre le verdict.

En déplaçant les bagues 35, il est également possible de disposer le thermocouple 21 en regard des extrémités longitudinales de la cible 1 , c'est-à- dire en regard des rebords 8 du tube intérieur 3. On peut alors mesurer la résistance thermique R de l'interface entre les tubes 3 et 7. Ici encore, on a pu constater une très bonne correspondance entre les thermogrammes mesurés et calculés. On a ainsi pu déterminer dans un exemple que la résistance thermique dans cette zone là était de 5,3.10 ^' W.K/W, valeur que l'on peut transformer en épaisseur de lame d'air correspondante.

On peut également effectuer les mêmes mesures et calculs au droit des espaces 9 situés entre les bords longitudinaux 10 des feuilles 5.

Toutefois, les mesures et calculs effectués dans ces zones s'avèrent moins précis, car la chaleur a tendance à être évacuée préférentiellement au

travers des feuilles d'uranium 5 qui ont une meilleure conductivité thermique que les lames d'air présentes dans les espaces 9.

Le procédé décrit ci-dessus permet donc de contrôler de manière simple et précise les interfaces entre les différentes couches de la cible 1. En outre, ce procédé est un procédé de contrôle non-destructif, qui peut être mis en œuvre à l'échelle industrielle.

En outre, on observera que le procédé de contrôle peut être mis en oeuvre soit à température ambiante, soit à chaud, par exemple pour se rapprocher des conditions d'utilisation de la cible 1. Une telle mesure à chaud, effectuée par exemple à 200 ⁰ C, permet de réduire les marges d'incertitude et d'effectuer un contrôle encore plus fiable.

On observera également que ce procédé peut fournir soit des épaisseurs de lames d'air, soit des résistances thermiques R des interfaces entre les différentes couches, ces valeurs étant utilisables directement par les logiciels de simulation thermohydrauliques afin de vérifier que les cibles 1 produites satisfont aux contraintes de sûreté. Des grandeurs représentatives des résistances thermiques R, autres que les épaisseurs des lames d'air, peuvent être utilisées pour rendre un verdict sur les cibles 1.

Plus généralement, le procédé décrit ci-dessus peut être utilisé pour contrôler d'autres éléments 1 que des cibles uranifères, leurs formes pouvant être autres que cylindriques, par exemple planes. De manière générale, un tel élément 1 comprendra au moins deux couches dont l'une comporte un matériau fissile. Il peut par exemple s'agir d'un élément de combustible pour réacteur de recherche. Plus généralement, le procédé déterminera la résistance thermique d'au moins l'interface entre deux couches. Dans certaines variantes, le procédé pourra déterminer la résistance thermique globale de l'élément 1.

D'autres sollicitations thermiques que des impulsions peuvent également être envisagées.