Brevet FR2341182A1 — publié le 19770909

La présente invention se rapporte en général à un procédé pour détecter et localiser des éléments combustibles défectueux de réacteur nucléaire et plus particulièrement d'un tel procédé utilisant un test double sonique/ultra-sonique. Dans les réacteurs nucléaires refroidis par un liquide on utilise généralement des pastilles radioactives comme source d'énergie thermique. Les pastilles, enfermées dans des gainages tubulaires à parois minces désignés communément comme éléments combustibles, sont tenues à supporter des températures internes élevées et des pressions externes. Les éléments sont portés dans un arrangement espacé et ordonné dans des assemblages combustibles ayant des canaux d'écoulement de fluide s'étendant lon-gitudinalement le long de la surface extérieure du gainage des éléments respectifs. L'agent de refroidissement du réacteur circule à travers les assemblages afin de maintenir les éléments dans les limites prescrites de température.L'épaisseur du gaina ge des éléments est un compromis procurant une section transversale minimum de capture des neutrons et un support approprié de combustible. Toutefois, dans le cas improbable de conditions de fonctionnement contraires, une rupture minime des parois du gainage peut se produire, exposant l'intérieur du gainage au contact de faibles quantités de liquide de refroidissement. Dans ces conditions, la probabilité d'une contamination en résultant du réfrigérant primaire et d'une dégradation de la sécurité de fonctionnement des assemblages combustibles rend impératif d'imaginer une technique pour déterminer la présence d'éléments défectueux et leur emplacement. Tandis que différents procédés existent présentement pour indiquer généralement la présence de combustible nucléaire défectueux, tels que ceux décrits dans le brevet americain NO 3 786 257 de WEISS et al, délivré le 15 Janvier 1974 et dans le brevet américain NO 3 395 074 de DOUZE et al, délivré le 30 Juillet 1968, les procédés décrits ne sont pas capables d'identifier l'emplacement des défauts spécifiques d'élément combustible; La présente invention a donc pourfobjet principal un nouveau procédé qui permettra d'identifier des éléments combustibles défectueux à meme leur emplacement spécifique dans les assemblages combustibles. Ce procédé pour détecter et localiser un élément combustible défectueux d'un réacteur nucléaire après emploi dans un réacteur refroidi par un liquide, ledit élément combustible comprenant une matière fissile enfermée dans un gainage tubulaire métallique fermé hermétiquement aux deux extrémités, est essentiellement caractérisé en ceci que la température de l'élément combustible est relevée au-dessus d u point d'ébullition du liquide de refroidissement de façon à~occasionner l'ébullition de tout liquide qui pourrait pénétrer dans l'élément combustible et que le bruit d'audio-fréquence produit par le liquide en ébullition dans l'élément combustible est contrôlé comme une indication de fuite dans le gainage. Selon un mode de réalisation est produit un signal acoustique pulsé, associé au bouchon supérieur de l'élément combustible et propagé le long de la paroi du gainage. La mesure de la présence de tout liquide de refroidissement dans l'élément ou un nombre de pastilles excessivement enflées est obtenue par une interprétation appropriée des impulsions d'écho revues au transducteur. Dans un deuxième mode de réalisation, la surface extérieure du gainage de l'élément combustible est substantiellement isolée du contact avec le liquide de refroidissement utilisé normalement pour maintenir l'élément dans une étendue de tempéra- ture prescrite. Le bruit d'audio-fréquence produit par un fluide caloporteur en ébullition dans l'élément est contrôlé comme étant une indication d'un défaut du gainage. De cette manière sont produits deux groupes d'informations, chacun sensible à des manifestations différentes de défauts de combustible. L'excès résultant augmente la probabilité de détection de tels défauts tout enduisant des résultats erronés. On comprendra mieux l'invention par la description ciaprès faite d'un mode de réalisation préférentiel du procédé, donné à titre d'exemple en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue d'ensemble en coupe partielle, d'un ensemble de production de vapeur d'un réacteur nucléaire - la figure 2 est une vue en coupe d'un élément combustible classique ;; - la figure 3 est une vue en perspective partielle d'un assemblage conbustible de réacteur nucléaire incorporant les transducteurs acoustiques utilisés avec le procédé de la présente invention - la figure 4 est un exemple de conception d'un trans ducteur qui peut être utilisé avec le procédé selon la présente invention - la figure 5 montre schématiquement un dispositif d'af fichage de tenps réel pour présenter l'information fournie par un mode d'opération selon la présente invention ; et - la figure 6 montre schématiquement un système d'affi chage de temps réel pour présenter l'information fournie par un second mode d'opération selon la présente invention. La figure 1 représente un en emble de production de vapeur d'un réacteur nucléaire classique à eau pressurisée qui peut fonctionner selon le procédé de la présente invention pour fournir à la fois une indication de la présence et de la localisation d'éléments combustibles nucléaires défectueux. Le réacteur de la figure 1 comprend une cuve 10 qui forme un conteneur sous pression lorsqu'il est fermé de façon étanche par son assemblage de tête 12. La cuve a une entrée 16 et une sortie 14 du flux d'e fluide caloporteur formes intégrantes avec les parois cylindriques de la cuve et les traversant.Con me il est connu par l'état de la technique, la cuve 10 contient. un coeur nucléaire 18 qui consiste principalement en une multitude d'éléments combustibles nucléaires gainés 20 qui produisent des quantités substantielles de chaleur en fonction d'abord de la position de barres de commande de longueur partielle et de longueur entière ayant une enveloppe exté rieure 11 sous pression. La chaleur produite par le coeur 18 du réacteur est transportée du coeur par le flux de fluide caloporteur entrant par l'entrée 16 et sortant par la sortie 14.Généra lement, le flux sortant par la sortie 14 est transporté par un conduit de sortie 26 à un échangeur de chaleur g4nérateur de vapeur 28, dans lequel le flux de fluide caloporteur réchauffé est transporté dans des tubes d1échangeurs annexes avec l'eau utilisée pour produire la vapeur. Cette vapeur produite par le générateur est communément utilisée pour entrainer une turbine pour permettre la production d'électricité. Le flux de fluide caloporteur est transporté du générateur de vapeur 28 par un conduit coudé de refroidissement 30 vers l'entrée 16. Ainsi est fournie une boucle primaire fermée de recyclage ou de production de vapeur avec la tuyauterie de fluide caloporteur accouplant la cuve 10 et le générateur de vapeur 28.La cuve représentée à la figure 1 peut être adaptée pour trois systèmes fermés d'écoulement de fluide ou boucles de ce type, toutefois, il sera bien entendu que le nombre de ces boucles peut varier d'une centrale à l'autre, et que l'on en utilise communément deux, trois ou quatre . En se reportant à la vue en coupe de l'élément combustible nucléaire de la figure 2, il pourrait être Judicieux que les pastilles combustibles 22 soient placées en cascade serrées étroitement dans un rang, enfermées dans un gainage tubulaire 24 hermétiquement clos à chaque extrémité par une paire de tampons d'extrémité 32 et 34. Les pastilles sont maintenues étroitement serrées par un assemblage de ressorts 36 disposé normalement entre les pastilles et le tampon d'extrémité supérieur 32 de l'élément. Un assemblage combustible séparé, dans des nombreux réacteurs en fonctionnement actuellement, comprend 196 éléments combustibles dans un faisceau carré de 14 x 14. La vue en perspective d'un tel assemblaae selon la figure 3, montre la position relative des élements combustibles 20 maintenus espacés et supportés par des assemblages de grilles 38. Dispersés entre les barres combustibles se trouvent des fourreaux 44 de barres de commande qui guident les barres absorbeuses vers un emplacement non occup par le combustible dans la structure de grilles. Onmani- pule les barres de comma,ce dans un assemblage donné par un assemblage particulier de crolslllons 46 accouplé à un mécanisme d'entrai- nement de barres de commande au moyen d'un accouplement de barres d'e traînement àtimonerie mécanique, non représent.les parties supé rieure et inférieure de l'assemblage sont respectivement entourées par des ajustages 42 et 40 d'écoulement de fluide caloporteur qui guident l'écoulement du fluide à partir de la partie inférieure de 11 assemblage vers le haut à travers les structures de grilles, le long des barres combustibles vers l'ajustage supérieur où le réfrigérant est dirigé par une tuyauterie extérieure de fluide caloporteur à travers la sortie 14 vers le générateur de vapeur. Dans une rangée d'un assemblage combustible 14 x 14 les éléments combustIbles ont une longueur d'approximativement 3m80 avec un diamètre extérieur de Ilmn et un espace de 1,5 mm prévu entre barres adjacentes pour l'écoulement du fluide caloporteur. Les parois de gainage sont conçues de façon à avoir une épaisseur aussi faible que possible afin de diminuer la section transversale de capture de neutrons. Dans des conditions défavorables de fonctionnement il est possible que des petites fissures se forment dans le gainage du combustible, résultant d'un degré de contamination du fluide caloporteur du réacteur et de-la dégradation de la sécurité de fonctionnement de l'assemblage combustible.Ainsi donc, il est souhaitable de fournir un mécanisme pour détecter et localiser de tels défauts de sorte que l'on puisse remplacer les éléments défectueux sans avoir besoin de mettre hors service des assemblages combustibles entiers. En général, comme on peut l'apprécier dans la vue en perspective de la figure 3, la seule partie des éléments accessibles à une InspectIon est le tampon de l'extrémité supérieure et 3pproximativement les premiers 25mm du gainage extérieur. Toute inspection technique utilisée doit être effectuée à distance afin d'éviter une exposition à l'environnement radio-actif entourant le combustible. Une inspection visuelle des parois par surveillance au moyen d'un circuit fermé de télévision, ne donnera des informations qu'en ce qui concerne les tubes sur le périmètre de l'assemblage et non pour les ensembles intérieurs. La présente invention fournit un test double sonique,' ultrasonique qui non seulement identifie 13 présence d'unéla'- ment combustible défectueux, mais également son emplacement. Avec cette information il est possible d'obtenir une économie estimée à environ 7,5 millions de francs pour une centrale, en remplaçant des éléments défectueux dans les assemblages au lieu de mettre au rebut le rang tout entier. Le transducteur acoustique 50, utilisé pour accomplir les phases considérées par la présente invention, est attaché au tampon d'éxtrémité supérieur 32 des éléments combustibles respectifs de manière à favoriser un bon couplage acoustique. Les transducteurs sont conçus pour être sensibles au deux fréquences, soniques et ultrasoniques. La figure 4 montre un tel transducteur, quoiqu'il reste entendu que des nombreux transducteurs ultrasoniques ayant une large bande de réponse de fréquences existent dans cette technique. On montre une mosaïque de 14 x 14 transducteurs sur une plaque en acier inoxydable 52 pour les accoupler aux tampons d'extrémité supérieure de l'assemblage combustible typique.La plaque indexera la mosaSque d'éléments transducteurs pour assortir avec les tampons d'extrémité supérieurs exposés d'éléments individuels. La figure 3 montre une ligne de cinq transducteurs de ce genre. Chaque élément piézo-électriqueW4 est monté, de façon à recevoir les secousses dans une cosse 56 en acier inoxydable disposée concentriquement dans une rondelle 58 en caoutchouc siliconé pour permettre l'isolement de canaux adjacents. L'assemblage est disposé contre le tampon d'extré:nlté par une électrode 60 soumise à la charge d'un ressort qui reçoit les variations de longueur de l'élément combustible. La surface de contact de l'élément piézo-électrique est reliée à la masse de la cosse et la sortie communique à partir de l'électrode arrière 66, à travers l'électrode 60 soumise à la charge d'jan ressort, avec l'extérieur du carter 62. Une rondelle 68 en aluminium isole la sortie de la plaque - support 70 en acier inoxydable. Une bonne utilisation est assurée par la réalisation d'une bonne sensibilité pour les fréquents de bande aussi bien sonique que supersonique. Dans la mestre où la réponse de basse fréquence est proportionnelle à l'épaisseur du disque piézoélectrique, on utilise une largeur plus forte que la normale dtun piézo-transducteur 4. La sensibilité à une bande de fréquence supérieure est réalisée en fonctionnant avec un mode d'épaisseur fondamental ou avec une de ses résonances harmoniques. Ainsi, selon la présente invention, le sransducbeur ultrasonique 50 fonctionne selon deux modes pour fournir une mesure de l'écho d'impulsions et avec un contrôle passif d'audiofréquences pour recevoir les émissions deliqude en ébullition à l'intérieur d'un élément. La mesure de l'écho d'impulsions est un indicateur effectif de la rupture de gainage, car toute humidité présente à l'intérieur d'un élément combustible affectera les caractéristiques d'atténuation ultrasonique du gainage d'une manière similaire à celle selon laquelle des gouttelettes d'eau augmentent les pertes acoustiques sur un guide-onde ultrasonique en fil fin. Normalement, un faible vide existe entre les pastilles combustibles et la paroi du gainage. La présence d'humidité à l'intérieur de l'élément combustible accrolt l'accouplement acoustique entre les pastilles et le gainage. Les pastilles combustibles accouplées de cette manière agissent pour amortir le signal acoustique ; d'où l'accroissement de l'atténuation des caractéristiques du gainage humidifié jusqu'à un degré reconnaissable. En outre, des échos caractéristiques sont produits par des pastilles combustibles gonflées en contact avec le gainage. Avec l'assemblage combustible vidé de liquide caloporteur, de sorte que les éléments individuels sont isolés du contact avec le liquide qui entoure normalement la surface extérieure du gainage, l'atténuation d'une impulsion acoustique se propageant vers le bas du gainage dépendra fortement de faibles quantités d'humidité à l'intérieur de l'élément. terme avec l'hum d-té entourant la surface extérieure du gainage, les résultats expérimentaux ont montré que l'atténuation du signal réfléchi reçu sera comprise comme étant le résultat d'un accouplement acoustique amélioré entre la paroi du gainage et les pastille combustibles, d soit au nombre de pastilles excessivement gonflées, soit à la présence d'humidité à l'intérieur du gainage. L'impulsion ultrasonique traversera le tube et sera réfléchie par le tampon de l'extrémité éloignée, transportée sur un chemin de retour vers le transducteur pour sa réception. On peut alors comparer l'amplitude du signai reçu à un niveau type, comme étant une mesure de l'intégrité de l'élément combustible. Des résultats expérimentaux ont montré que l'écho à par tir de l'extrémité éloignée du gainage est fortement sensIble à des faibles quantités d'eau iqrctée dans l'élément avec ou sans écartement de contact entre le fluide caloporteur et la surface extérieure du gainage. Une goutte d'eau injectée a produit une réduction de 3 db du niveau de l'écho à une fréquence du train porteur de 1 NEz et une réduction de 6,5 db à 630 KHz. L'atténuation monte très rapidement jusqu'à 3 gouttes d'eau injectée, les impulsions se sont abaissées d'au moins 30 db en dessous du niveau d'impulsions correspondant à toute absence d'eau. Le niveau de l'écho d'extrémité de plusieurs expériences de ce genre où l'eau était totalement absente fut presque uniforme et répétitif, de sorte qu'une bonne indication d'eau contenue peut être associée à un bas niveau de l'écho d'extrémité seul. Des tests effectués sur un assemblage combustible actuel ont vérifié l'amplitude consistante de l'amplitude de l'écho d'extrémité. La possibilité de la présence de pastilles d'uranium gonflées à l'intérieur d'un élément combustible existe et contribuera aux pertes mesurées d'écho d'extrémité, comme indiqué cidessus, par une diffusion en retour d'une certaine énergie des impulsions se propageant. En addition, une information est contenue dans les échos diffusés eux-mêmes. L'énergie réfléchie par une pastille gonflée affectée tétait pas suffisdnte pour abaisser l'écho d'extrémité de plus d'un db. Ceci est négligeable en comparaison de l'abaissement associé à la présence d'eau à l'inté- rieur d'un élément.Dans le cas cU il y aurait suifisam"ent de pastilles gonflées pour produire une perte totale approchant celle d'un tube qui fuit (approximativement dix pastilles), ceci tout seul serait probablement suffisant comme raison pour remplacer l'élément comme étant défectueux, et ajoute ainsi un avantage aux résultats fournis par les tests selon le présent procédé. De plus, l'exigence d'évacuer le liquide caloporteur d'autour de l'assemblage, a pour résultat une augmentation de la température d'éléments combustibles individuels radiés. Dans des éléments combustibles contenant l'humidité de liquide caloporteur, cette éIvation de température atteindra rapidemeiit ie point d'ébullition. Le bruit d'audio-fréquence produit par le fluide caloporteur en ébullition sera transmis promptement à l'extrémité de l'élément combustible par un effet de guide-onde. Le transducteur 50 a été conçu de façon à avoir une bonne sensibilité aux audio-fréquences aussi bien qu'un signal de sortie élevé et une sensibilité aux fréquences porteuses élevées des impulsions d'écho. De cette manière, le bruit d'audio-fréquence associé au fluide caloporteur en ébulStion à l'intérieur de l'élément est contrôlé alternativement avec la mesure d'impulsions d'écho. Le résultat est un excédent qui augmente la probabilité de détection d'un élément combustible qui fuit tout en réduisant la probabilité d'obtenir une information erronnée. Un contrôle passif du bruit d'ébullition pourrait s'étendre sur la durée entière pendant laquelle les éléments. combustibles sont suffisamment chauds pour occasionner l'ébullition, afin d'augmenter la probabilité de détection. Les éléments combustibles dans cette partie du test sont vidés de fluide caloporteur qui les entoure Jusqu'à la quantité nécessaire pour atteindre l'ébullition à l'intérieur du gainage des éléments. Le signal de sortie audio de chacun des 196 transducteurs dans un rang d'as- semblage combustible 14 x 14 est amplifié, comme le contre schématiquement la disposition en parallèle d'amplificateurs de la figure 6; jusqu'à un niveau capable d > entraîner une diode émettrice de lumière correspondante de sa position vers un emplacement approprié dans une matrice d'affichage 14 x 14.Ainsi, un signal de sortie visuel est rendu utilisabie comme information de connection pour l'opérateur de la centrale et un film peut outre pris simultanément de l'affichage pour un fichier permanent ou une analyse additionnelle sans recommencer les tests. Il est désirable d'interrompre périodiquement pour une courte durée la procédure de contrôle passif du bruit d'ébullition, pour environ cinq secondes pendant que l'on effectue un test d'impul- sion unique d'écho sur chaque élément combustible. Commue l'homme de l'art l'appréciera, on peut effectuer le test total dans moins d'une minute ce qui, comme c'est bien connu, n'affecter pas l'intégrité du combustible. Un système pour la mise en oeuvre du test d'impulsions d'écho sera illustré. Le circuit électronique d'entrée dans la matrice séquentielle 78 est similaire au système de contrôle passif décrit précédemment. La matrice séquentielle comprend un certain nombre de relais pour raccorder séquentiellement le transmetteur à chaque transducteur.Suivant la période de transmission d'un transducteur unique, l'écho reçu est affiché sur un oscilloscope 80. Une caméra 86 est prévue pour établir un enregistrement permanent du signal de sortie et une alarme 82, mise sous tension par un détecteur de niveau minimum 84, alertera l'opérateur de la centrale. La caméra unique à image complète et avance rapide 86 enregistre l'écho affiché sur l'oscilloscope et une lecture alphanumérique 88 de la rangée et colonne correspondantes. On utilise l'obturateur de la caméra pour fournir les impulsions d'horloge au contrôleur de séquence 90 qui sélectionne le prochain élément combustible à interroger. Le temps de transpart d'impulsion en un déplacement circulaire dans un élément combustible donné est approximativement de deux microsecondes. En conséquence, le temps de la séquence totale de tous les 196 éléments combustibles est déterminé par la vitesse d'avancement de la caméra. Une vitesse classique de 50 images à la seconde permettra d'effectuer les 196 tests d'impulsion d'écho en approximativement quatre secondes, permettant un minimum d'interruption du test d'écoute passif. Avec une certaIne complexité de circuit additionnel, le tableau d'affichage à diodes émettrices de lumière peut afficher et tenir une indication de 11 amplitude d'impulsion reçue pour chaque élément combustible, pour aider l'opérateur et fournir un temps réel de corrélation croisée des résultats des tests doubles. Un des avantages ie l'utilisation de l'affichage par diodes émettrices de luire est la réponse rapide qu'elle procure aux variations de signaux. Additionnellement, la demande de courant relativement faible oe l'affichage par diodes émettrices de lumière, le rend très compatible avec des amplificateurs operationnels à circuits intégrés et des sorties à circuits logiques. Ainsi, en supplément à la fourniture d'indication et positionnement d'éléments combustibles nucléaires défectueux, le procédé de la présente invention fournit un mécanisme pour distinguer les défauts dus aux éléments combustibles qui fuient et ceux dus aux pastilles excessivement gonflées. Un résultat positit de deux modes de tests affirmera la présence d'un élément ayant une paroi fissurée de gainage, tandis qu'un résultat positif seulement de l'atténuation de la mesure de l'impulsion d'écho fournira l'indication de pastilles gonflées. En conséquence, les éléments combustIbles défectueux, une fois identifiés, pourront eAtre remplacés pour assurer la vie de fonctionnement prévue de l'assemblage combustible. REVENDICATICNS 1.' Procédé pour détecter et localiser un élément combustible défectueux d'un réacteur nucléaire après leur emploi dans un réacteur refroidi par un liquide, ledit élément combustible comprenant une matière fissile enfermée dans un gainage tubulaire métallique fermé hermétiquement aux deux extrémités, caractérisé en ceci que la température de l'élément combustible est relevée au-dessus du point d'ébullition du liquide de refroidissement de façon à occasionner l'ébullition de tout liquide qui pourrait pénétrer dans l'élément combustible et que le bruit d'audio-fréquence produit par le liquide en ébullition dans l'élément combustible est contrôlé comme une indication de fuite dans le gainage. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ceci qu'un signal acoustique est appliqué au gainage d'éléments combustibles et propagé le long de ce gainage, que le signal propagé est contrôlé après son déplacement à travers le gainage et comparé avec le signal appliqué, et que l'atténuation du signal contrôlé est mis en corrélation avec l'amplitude du signal appliqué comme mesure de la présence du liquide de refroidissement à'l'intérieur de l'élément. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le signal acoustique est appliqué à une extrémité de l'élément combustible et le signal propagé est contrôlé à la meme extrémité par un transducteur ultrasonique unique accouplé acoustiquement au gainage. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ceci que la phase en corrélation comprend la phase de comparaison du signal de contrôle avec un signal de référence. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, carac- térisé en ceci que tout liquide est évacué de la surface extérieure de la gaine d'éléments combustibles avant que la température de l'élément soit montée au degré nécessaire pour provcquerl'ébullition de toute humidité à l'intérieur de la gaine combustible. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ceci que les éléments combustibles sont contrôlés dans une position à l'intérieur d'un assemblage combustible et une indication de signal de sortie d'un élément combustible défectueux est affichée en réponse à une indication de la présence du liquide de refroidissement à l'intérieur de l'élément, et que l'emplacement de l'élément combustible défectueux à l'intérieur de l'assemblage combustible est affiché.