Brevet FR2120066A1 — publié le 19720811

La présente invention est relative aux systèmes de mesure de la puissance d'un réacteur et concerne plus spécialement un système de mesure de la puissance T(§ thermique d'un réacteur nucléaire au moyen de l'isotope N . ' Il existe deux méthodes principales de mesure de la puissance thermique d' 5 un réacteur nucléaire. La première méthode est 'basée sur la mesure de la chaleur extraite du réacteur par le réfrigérant. Elle consiste en une mesure de la différence entre les températures de sortie et d'entrée du réfrigérant ainsi que de son débit. Un tel système est décrit dans le brevet US. 3 ^23 285. Pour obtenir des mesures de puissance précises, au moyen de ce système, les pertes de chaleur 10 du réacteur vers l'extérieur doivent être prises en considération, même si elles sont faibles en comparaison de la quantité de chaleur transportée par le réfrigérant. La quantité totale de chaleur engendrée peut donc être calculée à partir de cette information, toutefois, la mesure des différences de température et de débit comporte des incertitudes et limite la précision. De plus, les signaux dé-15 livrés par les détecteurs de température à réponse rapide, disposés dans les conduites de réfrigérant, ont habituellement des coefficients de bruit élevés, ce qui fait que les signaux exprimant ces différences sont extrêmement chargés de bruit (jusqu'à environ 30 % du signal). La réponse dynamique de telles mesures est caractérisée par un retard sys-20 tématique entre la production de chaleur et sa détection en dehors de la cuve du réacteur. Il est dû à la constante de temps thermique du combustible et au temps de transport du réfrigérant à partir du noyau jusqu'au détecteur de température . La seconde méthode fait usage de la formation de l'isotope N1^ par l'acti- 25 vation neutronique de l'O1^ contenu dans l'eau qui constitue le réfrigérant du 16 réacteur. La concentration de N dans la réfrigérant est une indication directe du flux total de neutrons rapides et par conséquent une indication directe de la puissance totale engendrée. La désintégration du engendre des rayons gamma.de Mev qui peuvent faci-30 lement être mesurés en dehors des conduites de réfrigérant. Cette méthode a un temps de réponse plus rapide que la première méthode citée ci-dessus, parce qu' elle ne comprend pas de constante de temps des éléments combustibles. Cependant, 16 ^ la méthode du N présente l'inconvénient d'un effet cumulatif de l'activité de 16 l'N dans le réfrigérant. Ce cumul est dû au fait que le temps de transport to- 35 tal dans la boucle de réfrigérant est trop court pour permettre la désintégrati- 16 on complète de l'isotope N de sorte que le réfrigérant est encore radioactif quand il retourne au noyau. A cause de cet effet, le signal du H est affecté d'un facteur de cumul "b" qui peut être représenté par l'équation: * T b = e ou : kO *T , 71 46985 2 2120066 b est égal à l'accroissement total de l'activité en régime stable du signal ÎI , suite à un changement en échelons de la puissance du réacteur. X est égal à la constante d'amortissement du (0,09^3 sec. et T est égal au temps total de passage du réfrigérant dans la boucle. 5 Si, par exemple, le temps de passage "T" est de 10 secondes, "b" est égal à 1,632. Ce qui veut dire qu'après un changement subit de la puissance, 38,7 % (0,632/1,632) du signal est retardé, ce qui limite considérablement la réponse dynamique du système. Le but de la présente invention est de corriger le signal du N en ce qui 10 concerne l'effet de cumul mentionné ci-dessus et d'améliorer ainsi la réponse dynamique de la méthode par A cet effet, l'invention consiste en un système de mesure de la puissance d'un réacteur nucléaire à l'aide de l'isotope N^, comprenant un moyen de détection pour détecter l'activité du N1^ dans le réfrigérant du réacteur et fournir un signal représentatif de celle-ci, le dit moyen 15 de détection étant raccordé à un appareil de lecture pour donner connaissance du dit signal de détection, caractérisé en ce qu'il comprend un simulateur de cumul disposé entre le dit appareil de lecture et le dit moyen de détection, le dit simulateur de cumul fournissant un signal représentatif de l'effet de cumul de l'activité du dans le réfrigérant du réacteur, et un moyen pour soustraire 20 le dit signal de cumul du dit signal de détection pour fournir un signal de détection résultant à l'appareil de lecture qui est sensiblement proportionnel à la puissance du réacteur. Suivant la présente invention, l'effet de cumul est simulé par des techniques numériques ou analogiques ou par une combinaison de 16 ces techniques, et le signal simulé est soustrait du signal du N .Le signal 16 25 résultant du N est une mesure réelle de la puissance du réacteur et suit de très près tout changement de puissance. Si par exemple, la puissance change par échelons, le signal du N1^ change également par échelons parce que la partie du signal représentant le cumul est soustraite. Du fait que la correction est même possible pour un changement en échelons de la puissance, elle est à plus forte 30 raison possible pour toute autre variation quelconque de la puissance dans le temps du fait qu'une telle variation peut toujours être considérée comme étant constituée d'une série de petits changements en échelons superposés. L'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui- va suivre et aux dessins annexés. 35 Sur ces dessins: - La figure 1 est un graphique du signal du N1^ en fonction du temps, montrant comment varie le signal du N1 en fonction d'un changement en échelons de la puissance. - La figure 2 est un diagramme illustrant le système de base de mesure par le ItO N et le moyen de compensation de l'accroissement de l'invention. 71 46985 3 2120066 - La figure 3 est un diagramme d'une autre réalisation du système de l'invention, qui permet une compensation exacte de l'effet de cumul du et - La figure ^ est Tin diagramme plus détaillé du simulateur de cumul du de la figure 3. 5 L'isotope N1^ est un émetteur de rayons gamma d'une demi-vie de 7,35 secon des. L'activité gamma est provoquée par le "bombardement de l'isotope 0^ par des neutrons très rapides (plus de 10 Mev). L'activité gamma à 6 Mev, est la radiation principale émise par le réfrigérant primaire d'un réacteur à eau sous pression. L'activité est produite dans le noyau du réacteur par les neutrons de fis-10 sion très rapides agissant sur l'oxygène dans l'eau réfrigérante. Un appareillage, tel que les chambres d'ionisation bien connues, permet de mesurer l'activité du et constitue donc un moyen de mesure de la puissance du réacteur. La mesure de l'activité du est une méthode très précise de mesure de la puissance' d'un réacteur vu que le débit des neutrons de fission est 15 proportionnel à la puissance et que l'activité du de l'eau du réfrigérant bien mélangée donne une moyenne des différents niveaux de puissance de toutes les parties du noyau combustible. Toutefois, la mesure de puissance par le a l'inconvénient de présenter un effet de cumul de l'activité du dans le réfrigérant. Ce cumul se manifeste quand le temps de passage dans la boucle de ré- 20 frigérant du réacteur est trop court pour nermettre un amortissement complet de 16 l'activité du N avant que le réfrigérant ne retourne au noyau du réacteur. De ce recyclage, il résulte une augmentation du signal du qui peut être carac-' térisée par un facteur de cumul "b". Le facteur de cumul "b" est représenté par l'équation: , AT «. b = e ou : 25 VT . ® ■ 16 b = l'accroissement total de l'activité en régime stable du signal du N suite à un changement en échelons de la puissance du réacteur. 3- = la constante d'amortissement du (0,09^3 sec. 1) et T = le temps de passage total du réfrigérant dans la boucle. 30 Par exemple, pour un temps de passage T = 10 secondes, le facteur b est é- gal à 1,632. Ce qui veut dire qu'après un changement en échelons de la puissance du réacteur, 38,7 % (0,632/1,632) du signal est retardé, comme indiqué à la figure 1. La figure 1 est un graphique représentant le signal du ïï"' en fonction du temps, montrant comment le N1^ réagit à un changement en échelons de la puis-35 sance. La courbe A représente un changement en échelons de la puissance au réacteur. La courbe B représente le signal normalisé correspondant à l'activité du 16 N , en fonction du temps. Il faut noter qu'il y a au départ un retard dans le temps entre l'augmentation initiale en échelon de la puissance du réacteur et l'augmentation correspondante du signal du N^. Ce retard dans le temps repré-to sente par la référence 30, est le temps nécessaire pour que le réfrigérant du 71 ^6985 2120066 réacteur arrive à proximité du détecteur de N^. Après le changement en échelons initial du signal du N1^, il y a d'autres changements en échelons supplémentaires qui se cumulent, comme on peut le voir à la courbe de la figure 1, à cause du recyclage du réfrigérant du réacteur à travers la boucle de réfrigéra-5 tion et ceci continue jusqu'à une valeur "b" en régime stable soit atteinte. De ce fait, après un changement initial en échelons du signal, une partie (b-l)/b, en l'occurrence 38,7 % du signal initial est retardé de 10 secondes pendant le temps de passage dans la boucle (comme expliqué ci-dessus). Ce fait limite considérablement la réponse dynamique d'un tel système. 16 10 Le but de la présente invention est de corriger le signal N de cet effet de cumul et d'améliorer ainsi la réponse dynamique du système de mesure par N Suivant la présente invention, la correction est réalisée en simulant le signal de cumul du et en le retirant du signal total du N^. Le signal du résultant représente alors la mesure réelle de la puissance du réacteur et suit 15 fidèlement tout changement de puissance. Si, par exemple, la puissance change en échelons, comme indiqué par la courbe A de la figure 1, le signal du N , après un temps de retard 30, change également en échelons, comme représenté par la boucle B de la figure 1. L'effet de cumul représenté par la courbe B peut être compensé en prévoyant un signal, correspondant approximativement au cumul, tel 20 que le signal C montré à la figure 1, et en le soustrayant par la suite du si- 16 gnal du N .Le signal résultant de cette soustraction représente plus fidèlement le changement de puissance en échelons du réacteur montré par la courbe A de la figure 1. Du fait qu'il est possible de compenser un changement en échelons de la puissance, cette compensation est possible aussi pour n'importe quel-25 le variation de puissance en fonction du temps parce qu'une telle variation peut toujours être décomposée en une série de petits changements en échelons successifs . * La figure 2 représente un schéma de principe d'une réalisation suivant la présente invention. Un signal 16 émis par un détecteur 10 de (qui peut être 30 une chambre d'ionisation de construction classique, non représentée), est amplifié à l'aide d'un amplificateur 12 et branché sur un simulateur de cumul 11+ qui engendre un signal 18 correspondant au dit cumul et qui est destiné à être soustrait du signal délivré par le détecteur 10. Le signal résultant 20 est appliqué à un dispositif de lecture 22 (par exemple un ampèremètre). 35 - Le simulateur de cumul 1U engendre le signal de cumul 18 à partir du signal 16 vrai de l'activité du N .Ce résultat peut être obtenu grâce aux techniques numériques ou analogiques ou par la combinaison de ces deux techniques, suivant la précision désirée. La méthode de compensation la plus simple consiste en une approximation de la fonction de cumul en échelons par une fonction exponentielle ^0 de premier ordre avec une constante de temps 9". Une telle fonction est 71 46985 5 2120066 représentée par la courbe C de la figure 1. La valeur de 7"peut être calculée à partir de l'équation: 1 v * S = — = 10,62 sec., ou: À X = la constante d'amortissement du (0,09^5 sec. ^). Cette valeur est indépendante du temps T de passage du réfrigérant dans la boucle. L'excès dû au signal retardé est égal, comme expliqué ci-dessus, à : 1 b - 1 = XT e - 1 La précision de cette approximation simple est limitée. Cependant, la valeur du 10 signal n'est pas dépassée. De plus, pendant le fonctionnement normal du réacteur, un changement en échelons rectangulaires de la puissance ne se produit pas. Les » changements de la puissance réelle suivent toujours une pente déterminée ce qui fait que l'écart entre la fonction de cumul et la fonction exponentielle devient plus faible. 15 Une amélioration supplémentaire est obtenue en appliquant une temporisation d'environ T/2 à la fonction d'approximation du cumul comme indiqué par la courbe D a la figure 1. Cette courbe correspond à l'équation: . D (t) = (b - 1) e-t/^ où la fonction D varie avec le temps t. 20 L'écart entre le signal réel de cumul B et la fonction d'approximation D (t) est donc réduit. La figure 3 représente une autre méthode qui permet une compensation exacte de l'effet de cumul. La boucle de rétroaction de l'amplificateur 12 est constituée d'un dispositif de temporisation 2b qui peut être réglé par rapport au 25 temps de passage T et d'un amplificateur à gain variable 26 dont le gain est réglé à: 1 -JIT G e où G représente tout gain d'amplification qui fournit un signal de sortie lisible. La temporisation T simule le temps de passage, et le facteur de gain -j- e ^ simule l'amortissement de l'activité du pendant qu'il circulé dans G la boucle de réfrigération du réacteur. On a prévu une boucle de rétroaction supplémentaire 28 qui est raccordée au dispositif de temporisation 2k et à l'amplificateur 26, et qui simule le cumul du signal de dû à l'effet de recycla-35 ge. Le fonctionnement de ce circuit de compensation peut se comprendre en se référant à la figure 3. Le signal 16 du détecteur de en fonction du temps, est représenté par la courbe 17. La courbe 17 est la même que la courbe B représentée à la figure 1. Le signal 18 représentant l'effet de cumul est soustrait du signal 16 du détecteur de dans le sommateur 32. Le signal résultant est ko amplifié par un amplificateur 13 qui donne le vrai signal 20 du en fonction 71 46985 6 2120066 du temps représente par la courbe 21. Le signal 20 alimente d'une part une unité d'affichage 22, qui est un appareil de lecture, en l'occurrence un ampèremètre étalonné pour des mesures de puissance de réacteur. D'autre part, le signal 20 est dérivé dans la houcle de rétroaction de simulation de cumul de N , rac-5 cordée au point 3^. Ce signal est augmenté au signal de recyclage traversant la boucle de rétroaction 28 à l'endroit du sommateur 36. Le signal résultant 38, est représenté en fonction du temps par la courbe 39* Il est ensuite retardé du temps T, le temps de passage dans la boucle dans le circuit de temporisation 2k et amplifié par un facteur de gain 1 - aT dans l'amplificateur 26. Le signal 10 G résultant ko forme, d'une part, la fonction de cumul 18 représentée en fonction 1u temps par la courbe 19» et est soustrait du signal de détection 16 dans le sommateur 32. D'autre part, le signal est dérivé au point k2 dans la boucle 28 de rétroaction. Le signal de la boucle 28 simule le cumul de tel qu'il se 16 15 produit à cause du recyclage de l'activité du N dans la boucle du réfrigérant et est ajouté au signal 20 dans le sommateur 36. Un registre à décalage numérique standard peut être utilisé comme dispositif de temporisation 2k avec un convertisseur analogique numérique (CA/N) à l'entrée et un convertisseur numérique analogique (CN/A) à la sortie. La figure k représente un diagramme-bloc de la 20 boucle de rétroaction du simulateur de cumul du N1^ de la figure 3 comprenant un registre de décalage numérique standard muni de ses convertisseurs (CA/N) et (CN/A) en remplacement du dispositif de temporisation 2k. A tous points de vue, le simulateur de cumul de la figure H est identique à celui de la figure 3- Le signal 38 représenté à la figure k est le même signal que le signal 38 de la 25 figure 3> Le signal 38 représenté par la courbe 39 de la figure 3 est transformé en un signal numérique par le convertisseur analogique/numérique kk montré à la figure U. Ces convertisseurs sont connus des spécialistes et se trouvent sur le marché. Le signal numérique résultant est ensuite traité dans un registre de décalage numérique classique k6. Les registres de décalage numérique sont égale-30 ment connus des spécialistes et constituent souvent un élément de la partie mémoire des calculateurs numériques. Le signal numérique est décalé dans le registre de décalage d'une position à une autre jusqu'à ce que le signal apparaisse à la sortie du dit registre de décalage ^6. La durée de la temporisation créée par le registre de décalage k6, est réglée par une horloge 50 qui commande le 35 taux de décalage dans le registre. Comme mentionné ci-dessus, la durée de la temporisation est réglée à T, c'est-à-dire au temps de passage dans la boucle. Le signal résultant est obtenu à la sortie du registre de décalage numérique U6 est alors retransformé en un signal analogique par le convertisseur numérique/ analogique 1+8. Le signal de sortie du convertisseur numérique/analogique est am-Ho plifié par l'amplificateur 26 qui est identique à l'amplificateur 26 de la 71 46985 7 2120066 figure 3. Au reste, le fonctionnement des circuits de la figure ^ est identique à celui de la figure 3 décrit ci-dessus. Une mise en oeuvre différente du dispositif de temporisation 2k, représenté à la figure 3, consiste à utiliser un enregistreur magnétique sur bande avec 5 une bande sans fin. Le signal 38 est enregistré à l'entrée par l'enregistreur et reproduit à la sortie. Le retard ou la temporisation entre l'entrée du signal et la sortie de l'enregistreur peut être judicieusement choisi en réglant la vitesse de déplacement et la longueur de la bande magnétique. Toutefois, le registre de décalage est préféré parce qu'il est plus sûr et moins coûteux que l'enregis-10 treur sur bande. Le système résultant fournit line méthode de mesure précise de la puissance d'un réacteur nucléaire, avec une réponse dynamique améliorée. 71 46985 8 2120066 REVENDICATIONS. 1. Système de mesure de la puissance d'un reacteur nucléaire & l'aide de l'isotope N1^, comprenant un moyen de détection pour détecter l'activité du dans le réfrigérant du réacteur et fournir un signal représentatif de celui-ci, 5 le dit moyen de détection étant raccordé à un appareil de lecture pour donner connaissance du dit signal de détecteur, caractérisé en ce qu'il comprend un simulateur de cumul disposé entre le dit appareil de lecture et le dit moyen de détection, le dit simulateur de cumul fournissant un signal représentatif de 1' 16 effet de cumul de l'activité du N dans le réfrigérant du réacteur et un moyen 10 pour soustraire le dit signal de cumul du dit signal de détection pour fournir un signal de détection résultant à l'appareil de lecture, lequel signal est sensiblement proportionnel à la puissance du réacteur. 2. Système suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le dit moyen de détection comprend au moins une chambre d'ionisation. 15 3. Système suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le dit simulateur de cumul fournit un signal B (t) sensiblement égal à: (b-1 ) e où: 16 —■ 1 2 = constante d'amortissement du N (0,09^3 sec. ) 20 T = temps de passage total dans la boucle et rf= = 10,62 secondes. Système suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le dit simulateur de cumul comprend un premier amplificateur ayant un gain G et une première boucle de rétroaction, la dite première boucle de rétroaction comprenant un dispo-25 sitif de temporisation dont le temps de retard est égal au temps T du passage du réfrigérant dans la boucle du réacteur, et un deuxième amplificateur dont le gain est égal à: «• 1 - AT G 6 °U: 30 Xest égal à la constante d'amortissement du N1^, le dit retard T simulant le temps de passage du réfrigérant à travers la boucle du réacteur et le dit facteur d'amplification: 1 e" *T G 35 simulant l'amortissement de l'activité du N1^ pendant son passage dans la boucle de réfrigérant du réacteur, une seconde boucle de rétroaction raccordée entre la sortie et l'entrée de la dite première boucle de rétroaction de manière qu'il y ait addition avec la dite entrée de la première boucle de rétroaction et simulant le cumul de tel qu'il s'établit à cause du recyclage de l'activité du kQ N dans la boucle de réfrigérant du réacteur. 71 46985 9 2120066 5. Système suivant la revendication caractérisé en ce que le dispositif de temporisation comprend un registre de décalage numérique avec un convertisseur analogique/numérique à l'entrée et un convertisseur numérique/analogique à la sortie.