Brevet FR2176522A1 — publié le 19731102

La présente invention due à la collaboration de Monsieur Etienne CAMBILLARD du Commissariat à l'Energie Atomique et de Monsieur Jacques IUETZ du Centre National de la Recherche Scientifique a trait aux réacteurs nucléaires refroidis par métaux liquides et plus spécialement aux réacteurs à neutrons rapides dont le réfrigérant est du sodium liquide à une température de l'ordre de 500 C. Dans de tels réacteurs, les assem blages de combustible qui constituent le coeur sont parcourus, généralement de bas en haut, par le métal liquide de refroidissement et il en résulte des modifications incessantes de la température du métal liquide, surtout au voisinage de la sortie des éléments, modifications qu'il est indispensable de pouvoir connaitre et surveiller. Dans les réacteurs refroidis par métaux liquides connus à ce jour, la mesure de la température du métal, notamment à la sortie des assemblages de combustible, s'effectue le plus souvent à l'aide de thermocouples du type chromel-alumel, protégés par une gaine métallique et isolés par de la magnésie. Ces thermocouples sont disposés dans des doigts de gant métalliques immergés dans le métal liquide jusqu'au point dont on veut surveiller l'évolution en température. Ces dispositifs qui ont l'avantage d'être mécaniquement robustes présentent en revanche un inconvénient très grave, en ce sens que la barrière thermique importante que constitue le doigt de gant, conduit à une constante de temps de réponse très élevée qui peut être de l'ordre de plusieurs secondes, surtout dans le cas où la soudure du thermocouple proprement dite n'est pas en contact avec la paroi interne du doigt de gant. Un tel dispositif exclut donc en particulier la possibilité d'étudier des variations rapides de température telle que par exemple celles qui correspondent aux fluctuations thermiques pouvant atteindre à la sortie des assemblages des fréquences de plusieurs dizaines de Hz. La présente invention a pour objet un dispositif thermoélectrique de mesure de la température du métal liquide de refroidissement d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides qui permet de relever instantanément, avec une constante de temps pratiquement nulle, la température en tout point du métal liquide. Le dispositif thermoélectrique, objet de la présente invention, se caractérise essentiellement en ce qu'il comporte un certain nombre de capteurs de mesure en un métal M, immerges dans le métal liquide aux différents points dont on veut mesurer la température, et-un capteur de référence identique aux précédents mais immergé dans une zone isotherme du métal liquide, les indications électriques des différents couples thermoélectriques constitués par le métal M de chaque capteur et le métal liquide étant remontées à l'extérieur du réacteur par des fils également réalisés en ce même métal M et comparées successivement aux indications du capteur de référence. L'originalité du dispositif, objet de la présente invention, réside donc comme on le voit essentiellement dans le fait que la mesure est réalisée à l'aide de thermocouples métal M-métal liquide réfrigérant, ce dernier étant donc lui-même un des composants de la jonction thermoélectrique. Le fonctionnement du dispositif impose la présence d'un capteur de référence constitué du même métal M mais immergé dans une zone à température constante du métal liquide réfrigérant. Selon l'invention, ceci peut être réalisé de différentes façons; dans certains réacteurs nucléaires refroidis par métal liquide, il existe déjà, de par la constitution même du réacteur, une telle zone où le métal liquide a une température sensiblement constante: c'est le cas par exemple du réacteur "Rapsodie" dans lequel le sodium a au voisinage de la surface une telle température constante; il suffit donc, dans un cas de ce genre, d'utiliser cette propriété en immergeant le capteur de référence dans cette zone isotherme.Dans le cas plus général où une telle zone isotherme n'existe pas naturellement, on la crée, conformément à l'invention, en plaçant le capteur de -réfé- rence dans une enceinte thermostatée du métal liquide, cette enceinte thermos tatée devant néanmoins permettre la continuité électrique du métal liquide pour autoriser l'effet de thermocouple recherché, elle peut par exemple à cet effet comporter un certain nombre d'orifices qui permettent au métal liquide de passer de l'intérieur à l'extérieur de ladite enceinte. Selon une autre caractéristique importante de la présente invention, chaque capteur est constitué d'un doigt de gant à l'intérieur duquel passe, sans contact électrique, le fil de remontée des indications électriques, ledit fil étant en contact électrique seulement à son extrémité avec la paroi inférieure interne de chaque doigt de gant. Dans ce mode de réalisation, le dispositif objet de l'invention utilise l'effet thermoélectrique existant entre le métal réfrigérant liquide lui-même et le métal M constituant le doigt de gant proprement dit. Dans chacun des doigts de gant de mesure ou de référence est disposé un fil conducteur métallique, dans le même métal M que le doigt de gant, et traversant toute la longueur de celui-ci sans contact électrique avec ces parois. C'est seulement à l'extrémité du fil que l'on réalise un contact électrique, par soudure le plus souvent, avec la paroi interne inférieure de chaque doigt de gant. Dans ces conditions, le circuit électrique des thermocouples est constitué non seulement par le capteur de référence associé à l'un des capteurs de mesure, mais encore par l'ensemble du métal liquide réfrigérant et des parties métalliques qui entourent ces deux capteurs.La différence de potentiel mesurée entre le capteur de référence et un capteur de mesure quelconque est égale à la différence des forces élélectro- motrices du thermocouple métal liquide réfrigérant-métal M aux températures respectives T pour le capteur de mesure et Tr pour capteur de référence immergé dans une zone où le métal liquide est à la température constante de référence Tr. La différence de potentiel mesurée correspond aux valeurs des courbes d'étalonnages du thermocouple métal réfrigérant-métal M si le rapport des résistances électriques des différents circuits du métal liquide et du métal M dans chaque association d'un capteur de mesure au capteur de référence est voisin de zéro. La théorie et l'expérience confirment qu'il en est bien pratiquement ainsi dans la cuve d'un réacteur nucléaire refroidi par métal liquide. Dans la pratique, le métal- liquide de réfrigération est le plus souvent du sodium (ou l'un de ses alliages sodium potassium) et le métal M de l'acier, de préférence inoxydable. De même, le dispositif thermoélectrique objet de l'invention est particulièrement intéressant lorsque l'on dispose les différents capteurs de mesure directement au-dessus du coeur du réacteur en regard de certains au moins des assemblages de combustible de manière à explorer ainsi thermiquement la région du métal liquide directement sous l'influence du flux de métal chaud sortant des assemblages. Le dispositif, objet de l'invention, possède un certain nombre d'avantages inhérents à sa constitution, que l'on énumère ci-après: - le plus important de tous ces avantages est incontestablement la constante de temps pratiquement nulle avec laquelle le dispositif transmet les informations électriques. En effet, la force électromotrice de chaque thermocouple est déterminée par l'interface du métal liquide réfrigérant et du métal M; c'est donc directement la température de cet interface qui est mesurée, puisque le métal M est l'un des éléments de la jonction thermoélectrique elle-même.Dans le cas ou la température que l'on mesure varie, la constante de'temps-du-dispositif n'est due qu'à la vitesse avec laquelle la force électro-motrice évolue puisqu'il n'y a aucune barrière thermique entre la jonction thermoélectrique proprement dite et le milieu dont on désire mesurer la température. Il en résulte donc bien que la constante de temps du fonctionnement du dispositif est pratiquement nulle. - un autre avantage du dispositif selon l'invention résulte du fait que la force électromotrice engendrée dans la jonction thermoélectrique est indépendante de la vitesse d'écoulement du métal liquide réfrigérant au contact du métal M de la partie inférieure de chaque doigt de gant. Ceci est important, car il n'en était pas de même dans les dispositifs antérieurs où cette circulation pouvait modifier les conditions du transf-ert thermique entre le métal liquide réfrigérant et la jonction thermoélectrique proprement dite. - le fil conducteur qui est situé à l'intérieur de chaque doigt de gant n'a pas besoin d'un contact thermique avec le métal M de celui-ci, il lui suffit d'être en contact électrique avec cette paroi. Il est important de noter qu'un tel contact est beaucoup moins sensible à des variations éventuelles de pressions de contact qu'un dispositif dans lequel on doit assurer également un contact thermique. Il en résulte par conséquent que le dispositif selon l'invention est plus résistant aux différents chocs mécaniques que les dispositifs de l'art antérieur. - la jonction électrique de l'extrémité de chaque fil conducteur avec la paroi interne de chaque doigt de gant n'a pas besoin d'être localisée de façon très précise ni de se situer très près de l'interface métal liquide réfrigérant- métal M puisque seule cette dernière jonction détermine la force électro-motrice qui correspond à la température repérée. La dimension et la forme que l'on donne à l'extrémité de chaque doigt de gant ne dépendent que du caractère plus ou moins ponctuel que l'on désire obtenir quant à la localisation de la mesure que l'on effectue. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un exemple de mise en oeuvre du dispositif thermoélectrique de mesure objet de l'invention. Cette discription sera faite en se référant à la figure unique qui représente en coupe transversale schématique un réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi au sodium, équipé du dispositif objet de l'invention. On a représenté sur cette figure unique un réacteur nucléaire -à neutrons rapides refroidis par du sodium liquide dont on voit en 1 la cuve et en 2 le sodium liquide de réfrigération. Deux têtes d'assemblages d'éléments combustibles 3 et 4 ont été représentées, la tête n0 3 étant partiellement coupée à sa partie supérieure pour montrer le trajet du sodium liquide chaud sortant de l'élément 3 à sa partie supérieure selon la direction d'écoulement définie par les fleches F. Au travers des orifices 5, 6 et 7 percés dans la cuve 1 du réacteur sont introduits le capteur de référence 8 et un certain nombre de capteurs de mesure dont deux seulement, référencés 9 et 10, sont représentés sur la figure.Dans le mode de réalisation décrit, les capteurs de mesure sont situés dans le prolongement des têtes d'assemblage d'éléments combustibles, c'est-à-dire que les capteurs 9 et 10 sont situés au-dessus des têtes d'assemblages 3 et 4. Les différents capteurs 8, 9 et 10 ont la forme de tubes creux disposés en doigt de gant et sont réalisés en acier inoxydable. Ils sont maintenus en place par une pièce de support 11 également en acier inoxydable. Le capteur de référence 8 est immergé dans une zone 12-où le sodium est à une température constante grâce à une enceinte 13 percée d'un certain nombre d'orifices permettant la libre communication du sodium et thermos tatée par des moyens connus qui ne font pas partie de l'invention. A l'intérieur de chacun des capteurs 8, 9 et 10 se trouve un fil conducteur également en acier inoxydable à savoir respectivement 14, 15 et 16 pour les trois capteurs 8, 9 et 10. Les fils conducteurs internes 14, 15 et 16 sont isolés des parois des capteurs 8, 9 et 10 correspondants, sauf à l'extrémité inférieure à laquelle ils sont électriquement raccordés par une soudure telle que respectivement 17, 18 et 19 à l'intérieur du doigt de gant. Ces trois mêmes conducteurs 14, 15 et 16 aboutissent à une boite de raccordement isotherme 20. Le conducteur 14 du capteur de référence est relié, au travers d'un millivoltmètre 21, à la manette 22 d'un commutateur à plots 23; les deux plots 24 et 25 du commutateur 23 sont reliés électriquement respectivement aux conducteurs internes 15 et 16 des capteurs de mesure 9 et 10. Ces différents circuits électriques sont d'ailleurs identiques à ceux des thermocouples classiques dont les soudures chaudes sont à la masse. On voit que, selon l'invention, le circuit thermoélectrique du dispositif de mesure est constitué, dans le cas de la figure (le curseur 22 étant en contact avec le plot 24) par l'acier inoxydable des capteurs 9 et 8 des deux doigts de gant correspondants et du support 11 et par le sodium qui baigne l'ensemble. En régime permanent de fonctionnement, la température T du sodium qui sort de l'assemblage 3 est repérée à l'aide du capteur 9 par rapport à la température de référence Tr du sodium de l'enceinte isotherme 12 qui baigne le capteur de référence 8. Si la température T présente des fluctuations par rapport à une valeur moyenne, fluctuations qui peuvent avoir une période de plusieurs dizaines de hertz, le dispositif décrit permet de les détecter parfaitement grâce à la propriété qu'il possède d'avoir une constante de temps pratiquement nulle; il en est d'ailleurs de même en régime transitoire pour les variations rapides de la température T; ceci implique toutefois que l'appareillage de mesure utilisé possède une bande passante lui permettant de transmettre les fréquences des phénomènes observés. La commutation du potentiomètre 23 permet d'effectuer successivement la mesure à l'aide de chacun des capteurs de mesure tels que 9 et 10 représentés sur la figure, c'est-à-dire en fait à la sortie des différents assemblages tels que 3 et 4 contenus dans le coeur du réacteur nucléaire. Une utilisation particulièrement intéressante du dispositif objet de l'invention résulte de son temps de réponse pratiquement nul et consiste en l'étude des coefficients de corrélation qui peuvent exister entre des fluctuations simultanées de température se produisant sous l'action d'une cause quelconque entre deux points du réacteur ou même l'étude du coefficient d'autocorrélation en un même point du liquide réfrigérant en fonction du temps. C'est ainsi par exemple, que l'on peut, en relevant par le dispositif objet de l'invention les fluctuations de température transmises par un capteur associé à un assemblage déterminé, calculer par des méthodes classiques le coefficient d'autocorrélation R en fonction du temps puis, par transformation de Fourier, la fonction F définissant le spectre de fréquence de la perturbation thermique étudiée.La connaissance du profil normal de ces deux courbes (R et F) en un point déterminé permet alors de prévoir les perturbations qui seront apportées à la température de ce point par une modification quelconque des conditions physiques de fonctionnement du réacteur, (par exemple vibrations d'une aiguille de combustible, émission de bulles gazeuses dues à une réaction chimique au sein d'un élément combustible, obstruction d'un canal, etc...) I1 suffit pour cela de superposer au signal normal connu un signal fictif qui simule l'anomalie de fonctionnement ce qui permet d'en déduire le profil correspondant des deux courbes R et F en fonction du temps. Inversement si l'on connaît la relation qui existe entre une anomalie de fonctionnement du réacteur et la modification qu'elle impose aux fonctions R et F, on peut, par simple détection de cette modification, détecter la présence d'un fonctionnement anormal du réacteur. REVENDICATIONS 10) Dispositif thermoélectrique de mesure de la température du métal liquide réfrigerant dans un réacteur nucléaire du type à neutrons rapides, essentiellement caractérisé en ce qu'il comporte un certain nombre de capteurs de mesure en un métal M, immergés dans le métal liquide aux différents points dont on veut mesurer la température, et un capteur de référence identique aux précédents mais immergé dans une zone isotherme du métal liquide, les indications électriques des différents couples thermoélectriques constitués par le métal M de chaque capteur et le métal liquide étant remontées à l'extérieur du réacteur par des fils également réalisés en ce même métal M, et comparées successivement aux indications du capteur de référence. 2t) Dispositif selon la revendication 1, dans lequel chaque capteur est constitué d'un doigt de gant à l'intérieur duquel passe, sans contact électrique, le fil de remontée des indications électriques, ledit fil étant en contact électrique à son extrémité avec la paroi inférieure interne de chaque doigt de gant. 30) Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le métal M est de l'acier inoxydable. 40) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les differents capteurs de mesure sont situés au-dessus du coeur du réacteur en regard de certains au moins des assemblages de combustible. 50) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la zone de métal liquide isotherme est réalisée par une enceinte thermostatée, permettant la continuité électrique du sodium.