Brevet FR2085843A1 — publié le 19711231

la présente invention est relative à un dispositif de détermination non destructive du degré d'irradiation d'éléments combustibles de réacteur nucléaire à l'aide d'un spectromètre de haute résolution pour rayons gamma. 5 II est très important pour l'économie du fonctionnement de centrales nucléaires de déterminer le degré d'irradiation des combustibles que renferment leurs -réacteurs. Du fait que pour des raisons de physique électronique inhérentes à tout système de réacteur, la répartition de la puissance dans le coeur des réacteurs 10 n'est homogène ni en direction horizontale ni en direction verticale et peut présenter au contraire des gradients considérables, la matière fissile des éléments combustibles n'est pas consommée de manière uniforme et son degré d'irradiation est par conséquent variable. On diminue de façon connue ces inconvénients, e'est-à-15 dire que l'on utilise mieux le combustible et que l'on uniformise son irradiation, en permutant une partie des éléments combustibles, moins chargés, des zones extérieures du coeur du réacteur et les éléments, fortement chargés, de la zone centrale de ce même coeur. Cet échange ne produit cependant son effet optimal que si l'on 20 peut constater rapidement et sans effet destructif les irradiations relatives des éléments combustibles à permuter» Cette détermination non destructive du degré d'irradiation est bien entendu très importante aussi pour les éléments combustibles que l'on retire complètement du coeur-du réacteur. Il existe diverses méthodes de telle détermination. C'est ainsi que rien ne s'oppose à une mesure directe de la quantité de chaleur transportée par le réfrigérant à partir d'une partie définie du coeur du réacteur en fonctionnement. Mais cette ca-lorimétrie est imprécise et ne donne que des valeurs moyennes. 30 Elle ne fournit aucune indication sur la variation locale du degré d'irradiation le long des éléments combustibles. On trouve dans les revues Nuclear Materials Management, Vienne 1966, p-. 829-849 et Atomkernenergie 14-63, 1969, p.333-341 des comptes rendus de recherches de laboratoire consacrées à la 35 détermination non destructive du degré d'irradiation d'échantillons ou de barreaux individuels de combustible dans lesquelles on a obtenu de bons résultats en mesurant 1 ' activité^ de produits fissiles appropriés au moyen d'une diode au germanium modifiée au lithium et de haute résolution telle qu'on en utilise souvent 40 aujourd'hui dans la spectrocopie"Y . Il est très difficile d'éten25 71 11653 2 2085843 dre l'application de cette méthode à un dispositif de l'ampleur d'un élément combustible, composé parfois de plusieurs centaines de barreaux individuels,, la répartition non homogène de l'irradiation à l'intérieur d'un élément combustible5 l'absorption non appa-5 rente du rayonnement V dans le faisceau de barreaux et la confusion des formes géométriques ne permettent à peu près pas d'établir une corrélation entre le rayonnement V sortant vers l'extérieur et l'irradiation moyenne dudit élément combustible » D'après la revue Nukleonik, 1967s 9, P° 346-351, BUKER 10 s'est basé sur cette méthode de mesure au moyen d'une diode à semiconducteur Ge;(Li) de haute résolution pour élaborer un dispositif automatique déterminant le degré d'irradiation des éléments d'un réacteur à boulets et écartant du circuit de combustible les boulets dont le degré d'irradiation dépasse une certaine valeur limite. Il 15 résulte du problème ainsi posé que seules importent des indications sur le degré d'irradiation moyen des boulets soumis à la mesure* Bu égard à cet état de la technique, l'invention a pour objet un dispositif de détermination rapide et non destructive du degré d'irradiation de divers éléments combustibles, notamment 20 quant à sa répartition longitudinale, en vue de permettre au moyen .des résultats obtenus une action directe et optimale sur le programme de permutation des éléments combustibles. Ce dispositif est caractérisé par le fait qu'il comporte dans un bassin ralentisseur d'éléments combustibles plein d'eau, et à proximité de la paroi, 25 un guide assurant le passage vertical exact d'un élément combustible, placé à l'intérieur dudit guide et à examiner sur toute sa longueur, devant au moins un spectromètre à rayons gamma placé derrière la paroi- du bassin et relié à un collimateur à rayons gamma traversant celle-ci et dirigé sur ledit élément combustible. 30 Suivant un perfectionnement d'ordre métrologique, un tube exempt d'eau est disposé, sur le même axe que le collimateur, entre le guide et le revêtement intérieur du bassin, lequel revêtement recouvre l'ouverture avant dudit collimateur. On évite de la sorte une absorption supplémentaire de rayonnement dans l'eau du bassin, 35 entre la source, c'est-à-dire*l'élément de combustible à examiner, et le collimateur. Ce dispositif permet d'explorer le rayonnement de divers barreaux de combustible, notamment dans des éléments combustibles à section rectangulaire tels qu'on en utilise couramment 40 dans des réacteurs nucléaires refroidis à l'eau. Il est particuliè 71 11653 3 2085843 rement facile de faire porter l'examen sur les barreaux d'angle de tels éléments, c'est-à-dire de faire abstraction du rayonnement des barreaux voisins. Il est en même temps avantageux pour ledit examen que les faces latérales de l'élément combustible soient 5 inclinées de 45° sur l'axe du collimateur et que ce même axe soit dirigé sur un barreau d'angle dudit élément combustible. Il peut, dans le même cas, être intéressant d'utiliser deux dispositifs de mesure, chacun avec collimateur et spectromètre, et d'explorer de la sorte simultanément deux barreaux d'angle diagonalement oppo-10 ses. De la répartition ainsi connue des radiations dans divers barreaux de combustible on peut tirer des conclusions de bonne valeur sur les conditions correspondantes dans tout l'élément combustible ♦ l'invention sera mieux comprise à l'aide de la descrip-15 tion détaillée d'un mode de réalisation pris comme exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequels la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un bassin ralentisseur d'installation de réacteur nucléaire dans lequel est établi un dispositif selon ladite invention; 20 la figure 2 est une représentation agrandie du dispo sitif de mesure proprement dit, constitué par un spectromètre à rayons gamma et un collimateur; la figure 3 est une vue en coupe transversale, suivant la ligne III—III de la figure 1, du dispositif à hauteur du colli-25 mateur et permet de se représenter l'exploration simultanée de quatre barreaux d'angle, deux à deux diagonalement opposés, d'un élément combustible de section carrée. _ le bassin ralentisseur d'éléments combustibles/représenté en coupe longitudinale sur la figure 1 se trouve à proximité 30 immédiate du coeur proprement dit du réacteur et est empli d'eau, les éléments combustibles extraits du coeur du réacteur peuvent être amenés au-dessus de ce bassin, puis déposés au fond de celui-ci, dans un châssis approprié, par la machine de chargement. Ce n'est qu'après extinction des nuclides, dont la durée de vie est 35 brève, que l'on retire du châssis les éléments combustibles usés pour les transporter plus loin. Ceux des éléments combustibles que l'on a cependant l'intention de réutiliser dans le coeur du réacteur sont tout d'abord examinés quant à leur état d'irradiation dans le dispositif selon l'invention et placés d'après le résultat 40 à d'autres postes dans ce même coeur. 71 11653 4 2085843 le dispositif comprend tout d'abord, sur le fond du bassin ralentisseur 1, un conduit de guidage 31 ayant à peu près la même hauteur que le châssis, non représenté, des éléments combustibles# La référence 7 désigne la machine de chargement ou un autre 5 appareil déplaçant devant le dispositif de mesure proprement dit l'élément combustible à examiner. La paroi voisine 11 du bassin est percée au niveau de l'extrémité supérieure du conduit de guidage 31 et comporte en cet emplacement tin collimateur 2 dont lraxe est dirigé exactement sur l'élément combustible placé dans ledit con-10 duit 31, et plus spécialement sur le barreau de combustible choisi dans cet élément. Il est possible d'ajuster le conduit de guidage dans les limites nécessaires à l'établissement de la position voulue du barreau de combustible à soumettre à la mesure. Pour ne pas être affaibli par suite d'absorption par la couche d'eau du bassin 15 ralentisseur, le rayonnement à évaluer dans le spectromètre gamma 4 traverse ledit bassin dans un tube 21 fermé et exempt d'eau. Celui-ci est avantageusement relié rigidement au conduit de guidage 31 et il est donc inutile de le relier au revêtement intérieur 12, qui, en cet emplacement recouvre aussi le canal de rayonnement 20 du collimateur 2. Comme on le voit sur la figure 2, la section de ce canal est réglable en largeur et en hauteur au moyen de diaphragmes en plomb 22 à 25. Le mécanisme de commande correspondant 27, 28 débouche à l'extérieur à travers le bouclier, ou écran, 5. Dans l'exemple considéré, les diaphragmes 22 et 25 sont réglés à 25 demeure et ont par exemple une ouverture de canal de 25 sur 45 mm. Les diaphragmes intermédiaires 23 et 24 sont par contre réglables au moyen des dispositifs précités, cela par exemple respectivement entre 0 et 40 et entre 0 et 20 mm. Ces mêmes diaphragmes 23 et 24 sont séparés par un diaphragme plein 26, en Plexiglas, qui sert 30 d'écran contre un rayonnement ^3 éventuel. Ce collimateur tubulaire est fixé à demeure dans l'alésage de la paroi 11 du bassin en étant, par exemple, pris dans le béton. Du côté le plus éloigné de l'intérieur du bassin, se trouvent la diode 4, à semi-conducteur G-e (Li), et ses dispositifs 4'alimentation, par exemple le réser-35 voir à azote liquide 41, ainsi que, non représentés, les pompes de getter à ions et leur alimentation en tension, le préamplificateur sensible à la charge et les autres dispositifs électriques, le tout constituant seul le dispositif spectrométrique proprement dit. La structure de celui-ci est conforme à l'état de la tech-40 nique, aussi est-il inutile d'en entreprendre une description plus 71 11653 5 2085843 détaillée. Le réglage ci-dessus décrit du collimateur 2 permet de détecter le rayonnement d'un volume toujours reproductible du barreau de combustible soumis à la mesure; les écrans sont là en outre pour éviter des charges de rayonnement inadmissibles du côté de service du collimateur. Si l'on a affaire à des éléments combustibles de section rectangulaire, on peut, comme déjà mentionné, effectuer la mesure simultanément sur deux barreaux d'angle 30, voire sur quatre si le conduit de guidage 31 est placé lui-même dans un angle du bassin ralentisseur comme sur la figure 3. On peut bien entendu aussi diriger les collimateurs 2 sur les barreaux à soumettre à la mesure non plus parallèlement entre eux comme sur cette même figure, mais obliquement, si des considérations d'espace le rendent nécessaire. On distingue également sur cette figure 3 la section du conduit de guidage 31» sur laquelle sont soudés les quatre tubes 21, ne touchant par ailleurs pas le revêtement intérieur 12 du bassin. Pour donner une meilleure idée des dimensions des installations ci-dessus décrites, on mentionnera que le bassin ralentisseur a par exemple une profondeur de 11 m pour une épaisseur de paroi extérieure de 1,8 m. Le collimateur' 2, dont le diamètre est de l'ordre de 20 cm, a cette même longueur de lj,8 m. Il est à remarquer enfin que si l'on utilise simultanément deux ou plus de deux dispositifs speotrométriques, non nécessairement limités d'ailleurs à la mise en oeuvre de diodes Ge (li), on peut procéder non seulement à des mesures simultanées sur des barreaux diversement placés dans l'élément combustible, mais aussi, en branchant en opposition les sorties de ces spectromètres, à des mesures différentielles donnant aussitôt une indication sur les différences de degré d'irradiation en direction transversale à l'élément combustible. 71 11653 6 2085843 REVENDICATIONS 1. Dispositif de détermination non destructive du degré d'irradiation d'éléments combustibles de réacteur nucléaire a l'aide d'un spectromètre gamma de haute résolution, dispositif ca- 5 ractérisé par le fait qu'il comporte dans un bassin ralentisseur d'éléments combustibles plein d'eau, et à proximité de la paroi, un guide assurant le passage vertical exact d'un élément combustible, placé à l'intérieur dudit guide et à examiner sur toute sa longueur, devant un ou plusieurs spectromètres à rayons gamma qui 10 sont placés derrière la paroi du bassin et reliés chacun à un collimateur à rayons gamma traversant celle-ci et dirigé sur ledit élément combustible» 2, Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'un tube exempt d'eau est disposé, sur le même axe que le 15 collimateur, entre le guide et le revêtement intérieur du bassin, lequel revêtement recouvre l'ouverture avant dudit collimateur. 3• Dispositif selon les revendications 1 et 2, prises dans leur ensemble, caractérisé par le fait que le guide, destiné à des éléments combustibles à section rectangulaire, est disposé en sorte 20 que ses faces latérales soient inclinées de 45° sur l'axe du collimateur et que ce même axe soit dirigé sur un barreau d'angle de l'élément combustible engagé dans ledit guide. 4. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé par le fait qu'il comporte deux collimateurs dirigés chacun, ainsi que le 25 tube exempt d'eau placé dans le prolongement de leur axe, sur un barreau d'angle de l'élément combustible. 5• Dispositif selon les revendications 1 à 4, prises dans leur ensemble, caractérisé par le fait que la machine de chargement des éléments combustibles ou un autre appareil télécommanda-30 ble de levage assurent le déplacement vertical de l'élément combustible à examiner. 6. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le spectromètre gamma utilise une diode au germanium modifiée par du lithium.