Brevet FR2466082A1 — publié le 19810327

L'invention concerne un procédé de détection acoustique et ul- tra-sonique d'assemblages combustibles d'un réacteur nucléaire devenus dé- fectueux en service dans le réacteur par apparition de fissures dans le matériau de la gaine renfermant le matériau fissile des éléments combus- tibles constituant les assemblages. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de détection acoustique. Lors des arrêts pour rechargement des réacteurs nucléaires tels que les réacteurs nucléaires à eau sous pression, on effectue, lorsqu'on a décelé dans le fluide primaire du réacteur une activité 'td'un niveau élevé, un contrôle des assemblages combustibles pour détecter ceux qui sont devenus défectueux en service à l'intérieur du réacteur. En effet, ces assemblages combustibles défectueux libèrent par les fissures du matériau de gainage de certains de leurs éléments com- bustibles, des produits radio-actifs qui contaminent le fluide primaire. Dans le cas des réacteurs à eau sous pression, les assemblages combustibles sont constitués par des faisceaux de crayons combustibles constitués par des tubes en matériau de gainage de grande longueur ren- fermant du matériau fissile. Pendant les périodes d'arrêt du réacteur pour rechargement, on est amené à éliminer ou à réparer les assemblages défectueux pour repla- cer dans le coeur du réacteur des assemblages dont le matériau de gainage ne présente plus de fissures. Il est donc nécessaire de détecter les assemblages défectueux parmi ceux qui ont séjourné dans le coeur et qui participent à l'opération de rechargement. Pour cela, on contrôle séparément chacun de ces assemblages alors qu'ils sont entièrement immergés dans l'eau de la piscine de désac- tivation, ce qui permet d'éviter la contamination au voisinage de l'assem- blage amené depuis le coeur du réacteur. On utilise la plupart du temps pour détecter les fissures dans les éléments combustibles des assemblages le fait que les crayons combusti- bles présentant des fissures contiennent de l'eau qui s'est infiltrée à l'intérieur du crayon par les fissures. Cette eau à l'intérieur des éléments combustibles peut être ai- sément détectée lorsqu'elle est vaporisée. On a donc proposé des procédés de détection des crayons d'un assemblage présentant des fissures qui con- sistent à chauffer les gaines de ces crayons au voisinage d'un bouchon et de détecter l'eau vaporisée ou condensée par un contr8le ultra-sonore par échos. Ce procédé qui fait l'objet du brevet français 2.222.732 a ltincon- vénient de nécessiter l'inspection de chacun des crayons de l'assemblage pris isolément après démontage de l'une des pièces d'extrémité de cet as- semblage. On connait également un autre procédé décrit dans le brevet français 2.341.182 o l'assemblage combustible est porté à une températu- supérieure à la température re/dtébullition de l'eau de façon à pouvoir détecter les signaux acousti- ques accompagnant l'ébullition de l'eau dans les crayons défectueux. Là encore, la détection doit se faire au niveau de chacun des crayons combustibles. D'autre part, ces méthodes nécessitent une élévation de tempé- rature des crayons combustibles de l'assemblage suffisante pour porter à ébullition le liquide, généralement de l'eau, qu'ils contiennent lors- qu'ils présentent des fissures. On connaît également un autre procédé décrit dans le brevet a- méricain 4.039.376, o l'assemblage combustible est disposé à l'intérieur d'une enceinte reliée à un dispositif d'alimentation permettant de la remplir d'eau sous pression et à une soupape de détente permettant de faire tomber très rapidement la pression de l'eau dans l'enceinte. Lorsque l'assemblage est plongé dans l'eau sous pression, les gaz contenus dans les éléments combustibles fissurés, tels que les gaz résultant de la fission de certains matériaux contenus dans les éléments combustibles, sont eux-mêmes sous pression pour équilibrer la pression de l'eau entourant l'assemblage. Si l'on relâche très rapidement la pression de lteau autour de l'assemblage, les gaz sous pression contenus dans les éléments combusti- bles fissurés sortent par les fissures sous forme de bulles et cette émission de bulles produit des vibrations qui peuvent être enregistrées par un détecteur disposé à llintérieur de l'enceinte au voisinage de l'assemblage. Ce procédé et le dispositif correspondant sont cependant d'une mise en oeuvre complexe et la détection manque de sensibilité ce qui ne permet pas de déceler de très petites fissures. Le but de l'invention est donc de proposer un procédé de détec- tion d'assemblages combustibles d'un réacteur nucléaire devenus défec- tueux en service dans le réacteur, par apparition de fissures dans le ma- tériau de la gaine renfermant le matériau fissile des éléments combusti- bles constituant les assemblages, le procédé consistant à contr8ler séparément chacun des assemblages alors qu'ils sont entièrement immergés dans un liquide de protection contre les radiations, en provoquant une sortie de gaz résultant de la fission de certains matériaux contenus dans les gaines des éléments combustibles par les fissures éventuelles de ces gaines et en détectant cette sortie de gaz éventuelle par enregistrement d'un phénomène acoustique et ultra-sonique lié à cette sortie de gaz dans le milieu de protection, ce procédé étant d'une mise en oeuvre facile et d'une grande sensibilité. Dans ce but: - on provoque une dilatation des gaz contenus dans les gaines des élé- ments combustibles de l'assemblage pour provoquer la sortie de bulles de gaz dans le liquide de protection, lorsque l'assemblage est défec- tueux, - on arrête la progression des bulles de gaz dans le liquide de protec- tion au moyen d'un écran disposé au-dessus de l'assemblage, - et on enregistre un phénomène acoustique lié au choc des bulles de gaz sur l'écran ou à l'accumulation du gaz sous la surface de l'écran, l'ap- parition de ce phénomène permettant de détecter la présence d'un assem- blage défectueux. Afin de bien faire comprendre l'invention on va maintenant dé- crire à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation d'un dispo- sitif permettant la mise en oeuvre du procédé de détection acoustique suivant l'invention, aussi bien dans le cas o la dilatation des gaz con- tenus dans les éléments combustibles est obtenue par élévation de tempé- rature dans une cellule de ressuage que dans le cas o cette dilatation est obtenue par un autre moyen. La figure 1 représente dans une vue en coupe, par un plan ver- tical de symétrie, le dispositif de mesure acoustique. La figure 2 représente une vue suivant A de la figure 1. Sur la figure 1, on voit le dispositif constitué par un ensem- ble mécano-soudé comprenant une plaque métallique 1 mise en forme de fa- çon à constituer une portion de surface sphérique, cette plaque métalli- que servant à la fois d'écran empêchant la progression des bulles de gaz vers le haut au-dessus de l'assemblage, de résonateur acoustique et de ca- pacité d'accumulation des gaz s'échappant de l'assemblage. Cette plaque 1 est elle-mgme fixée sur une plaque d'embase 2. Ainsi qu'il est visible sur les figures 1 et 2, la plaque d'embase 2 com- porte des trous 3 à chacun de ses angles pour la fixation éventuelle de la plaque 2 sur une plaque circulaire de plus grande dimension 4 servant de plaque support lorsque le dispositif est placé sur une cellule de res-- suage refermant l'assemblage. Sur la plaque d'embase 2 est fixé par soudage un caisson 6 en- fermant complètement la surface supérieure de l'écran 1. Ce caisson comporte sur sa face supérieure une ouverture 7 fer- mée par une trappe d'accès 8 fixée sur le caisson par des vis 12. Sur la surface supérieure du caisson 6 sont également fixées deux portions de profilés 9 et 10 qui permettent une saisie du disposi- tif par le moyen de manutention du combustible pour son déplacement avec ou sans l'assemblage combustible. Sur le caisson, sont également fixés des tubes 14, 15, 16 et 17 à chacun des angles du caisson, chacun de ces tubes étant solidaires à son extrémité d'un écrou tel que 18 dans lequel on peut venir fixer par vissage une tige filetée telle que 19 dont on peut fixer la position grâce à un contre-écrou 20 venant en position de serrage contre l'écrou 18. Chacune des tiges 19 peut venir se placer dans un trou ménagé dans la plaque supérieure d'un assemblage combustible, ce qui permet le cen- trage du dispositif de mesure par rapport à l'assemblage combustible et des moyens de liaisons permettent de solidariser l'assemblage du disposi- tif de mesure par l'intermédiaire des tiges 19. La surface supérieure de la plaque écran 1 porte d'autre partdes détecteurs d'émission acoustique de grande sensibilité 21 et 22 et un émetteur-récepteur d'ultra-sons 23. Le caisson 6 comporte des ouvertures telles que 25 permettant d'une part son remplissage en eau de la piscine lorsqu'il-est mis en po- sition de service dans cette piscine du combustible et d'autre part pour le passage des câbles de mesure reliés aux détecteurs 21 et 22 et au transducteur 23. On va maintenant décrire une opération de détection effectuée sur un assemblage combustible, d'une part dans le cas o l'assemblage amené du coeur du réacteur par les moyens de manutention de la centrale est déposé dans une cellule de ressuage disposée dans la piscine du com- bustible et d'autre part, dans le cas o l'on effectue le contrôle de cet assemblage amené depuis le coeur du réacteur, sans utiliser une cellule de ressuage. Dans le premier cas, c'est-à-dire dans le cas o l'assemblage combustible a été déposé dans une cellule de ressuage, on équipe le dispositif de mesure acoustique d'une plaque support 4 dont la forme et la dimension correspondent à la forme et à la dimension du couvercle de la cellule de ressuage. Une cellule de ressuage telle que celle qui a été décrite dans fran ais le brevet/2.389.202 est constituée par une enceinte de dimension suffi- sante pour contenir un assemblage combustible du réacteur- renfermant de l'eau de la piscine et comportant des moyens pour être isolée thermi- quement de la piscine dans laquelle la cellule de ressuage est entière- ment plongée. Cette cellule est fermée par un couvercle circulaire et comporte des moyens de chauffage de l'assemblage qui permettent de provo- quer ou d'augmenter les sorties de substances radio-actives gazeuses des éléments combustibles de l'assemblage. Un circuit dans lequel circule du gaz rare branché sur la cel- lule de ressuage permet d'entrainer ces gaz radio-actifs et de les ana- lyser pour déterminer si un assemblage présente des fuites. Pour éviter l'utilisation de ce circuit d'analyse des gaz ra- dio-actifs, on peut, lorsque l'assemblage a été placé à l'intérieur de la cellule de ressuage, poser sur cette cellule à la place du couvercle la plaque support du dispositif de mesure acoustique suivant l'invention, ce dispositif étant transporté et placé sur la cellule de ressuage grâce au mât de manutention du combustible. Pour déterminer si l'assemblage combustible présente des fuites, il suffit d'augmenter sa température après avoir isolé thermiquement l'in- térieur de la cellule par rapport à la piscine, l'augmentation de tempéra- ture de l'eau disposée à l'intérieur de la cellule entrainant une dilata- tion des gaz de fission qui se forment à l'intérieur des éléments combus- tibles et la sortie de ces gaz dans la cellule de ressuage si l'assembla- ge présente des fuites dans le matériau de gainage du combustible. Dans le cas o l'assemblage est défectueux, ctest-à-dire si de telles fissures existent, les gaz de fission sortent par les fissures et les bulles s'échappant par les fissures remontent à la partie supérieure de la cellule de ressuage remplie d'eau de la piscine pour venir frapper sur l'écran 1 et venir s'accumuler sous le dôme constitué par cet écran sphérique. Les émissions acoustiques accompagnant la sortie éventuelle des gaz de fission des éléments combustibles de l'assemblage sont enregistrées grâce aux détecteurs 21 et 22 et l'on peut déduire de la présence de tel- les émissions acoustiques la sortie de gaz sous l'effet de la chaleur et donc la présence de fissures dans l'assemblage. De telles émissions peuvent être dues aux bruits émis par les bulles sortant par les fissures de l'assemblage comme dans le cas du pro- cédé décrit dans le brevet des Etats-Unis 4.039.376 mais étant donné la position des détecteurs acoustiques 21 et 22, cette émission est surtout due au choc des bulles de gaz sur l'écran 1 qui est choisi pour transmet- tre parfaitement les vibrations aux détecteurs 21 et 22. La détection des phénomènes acoustiques liés à la sortie des bulles est ainsi beaucoup plus sûre que dans le cas du dispositif anté- rieur. D'autre part lorsque le gaz s'accumule au sommet de la voûte limitée par l'écran 1, l'écho du signal d'ultrasons (écho de réflexion sur la partie supérieure de l'assemblage, par exemple,) émis par l'émet- teur-récepteur 23 est modifié et en mesurant l'amplitude de ltécho de ce signal ultrasonore, on peut, après avoir effectué un étalonnage, en dédui- re le volume de gaz dégagé dans la cellule de ressuage, ce volume étant une fonction linéaire de l'amplitude de l'écho. Cette amplitude décroit lorsque le volume des gaz dégagés au sommet de la cellule de ressuage aug- mente. En mesurant l'amplitude de l'écho après un certain chauffage de l'eau à l'intérieur de la cellule de ressuage et de l'assemblage qui s'y trouve, on peut évaluer le volume des gaz dégagés c'est-à-dire ltimpor- tance des fissures de l'assemblage. Cette méthode de détection par enregistrement de l'atténuation de l'écho d'un signal ultrasonore permet une détection de quantité de gaz extrêmement faible de l'ordre de 0,2 cm3. Cette méthode présente donc l'avantage d'être extrêmement sen- sible donc utilisable pour des fissures très petites et d'autre part de per- mettre des mesures quantitatives. Selon un deuxième mode de mise en oeuvre du procédé selon l'in- vention, on peut créer la dilatation du gaz de fission contenu dans les éléments combustibles de l'assemblage par une diminution de la pression externe à laquelle est soumis l'assemblage. Lorsqu'on est en présence d'une fissure dans un élément combus- tible de cet assemblage, le gaz de fission qui est emprisonné dans l'élé- ment combustible est en équilibre de pression avec le milieu extérieur. Si la pression externe diminue, le gaz se dilate et sort par la fissure, ce qui produit un effet équivalent à un chauffage de l'assembla- ge. Pour diminuer la pression externe du milieu en contact avec l'as- semblage, on a trouvé qu'il était très avantageux de remonter l'assembla- ge à l'intérieur de la piscine du combustible (ou même à l'intérieur de la piscine du réacteur) sur une certaine hauteur, la pression externe à la- quelle est soumis l'assemblage diminuant alcm de la valeur de la colonne d'eau ayant pour hauteur l'amplitude du déplacement vertical qu'on fait subir à l'assemblage. Pour utiliser, dans ce cadre, le dispositif suivant l'invention, il suffit de solidariser ce dispositif de la plaque supérieure de l'assem- blage et de soulever l'assemblage sous eau soit grâce au moyen de manuten- tion du combustible dans la piscine du réacteur soit au moyen d'un des descenseurs de la piscine du combustible. Il serait également possible d'utiliser un descenseur dans la piscine du réacteur si un tel dispositif était prévu dans cette piscine. Par exemple on a effectué grâce à un descenseur de la piscine du combustible une remontée de l'assemblage à l'intérieur de cette pisci- ne d'une amplitude de 5 mètres. Ce déplacement vertical de l'assemblage combustible est suffi- sant pour entrainer un dégagement de gaz de fission aisément décelable par émission acoustique et par atténuation d'écho d'ultrasons grâce au dispo- sitif qui a été décrit plus haut utilisé de la même façon que précédemment même dans le cas de très petites fissures. En effet, une remontée de l'assemblage sur une hauteur de 5,50 mètres ce qui correspond à la hauteur disponible dans les piscines de com- bustible des réacteurs nucléaires construits actuellement est équivalente au point de vue dilatation du gaz des éléments combustibles fissurés à un échauffement supérieur à celui qu'on peut obtenir dans les cellules de res- suage, dans les conditions o on les utilise actuellement. En effet, la pression en fond de piscine o est disposé l'as- semblage au départ du mouvement vers le haut, c'est-à-dire sous 10 mètres d'eau, est égale à la pression atmosphérique à laquelle s'ajoute la pres- sion de 10 mètres d'eau, soit 2 bars. Lors de la remontée de 5,50 mètres, la variation relative de pression, c'est-à-dire en première approximation la variation relative de volume du gaz, est égale à A p = 0'55 = 27,5 P 2 Pour avoir la même variation à partir d'un échauffement dans une cellule de ressuage il faudrait: T - 27,5 = - soitàT= 83,30C, P 100 303 en tenant compte de la température de l'eau de la piscine. Une élévation de température de l'ordre de 83,30C ne peut pas être obtenue à l'heure actuelle dans les cellules de ressuage, soit par élévation de température de l'élément due à son activité soit même par élévation plus brutale de température grâce à des résistances électriques. D'autre part au cours de la dépressurisation de l'assemblage par levage de cet assemblage dans la piscine, le transfert thermique gai- ne-combustible diminue ce qui entraine un effet d'augmentation de la tem- pérature qui facilite également la dilatation des gaz. La dépressurisation étant rapide, il n'y a pas solubilisation des gaz dans l'eau qui baigne l'assemblage si bien qu'on recueille les bulles au niveau de la surface de l'écran interposé sur leur parcours. Si l'on utilise la méthode de dépressurisation de l'assembla- ge par levage en piscine réacteur au lieu d'effectuer un levage de l'as- semblage dans la piscine du combustible, il est possible, étant donnée la structure des piscines de réacteurs construits actuellement, d'augmen- ter encore la hauteur de levée d'un mètre, ce qui entraine une dilata- tion supérieure du gaz. On a en effet dans ce cas AV = 0,55 + o =î. 31 %. V 2 +0,1 On peut remarquer que la méthode est effectivement utilisable dans la piscine du réacteur car la méthode de test utilisée est indépen- dante de l'activité de l'eau dans laquelle baigne l'assemblage, puisque la méthode de mesure entièrement acoustique ne suppose aucune mesure dtactivité. Il peut donc être avantageux de prévoir un descenseur de la pis- cine du réacteur pour pouvoir effectuer le levage de l'assemblage dans les mêmes conditions que dans la piscine du combustible. On voit que les principaux avantages du procédé suivant l'in- vention et du dispositif utilisé pour sa mise en oeuvre sont de permet- tre une détection de grande sensibilité c'est-à-dire d'assemblages pré- sentant des fissures de très faibles dimensions, d'être d'une mise en oeuvre extrêmement simple et de permettre une mise en oeuvre à l'inté- rieur de la piscine du réacteur ou à l'intérieur de la piscine du combus- tible indifféremment. Ce procédé permet de déterminer très rapidement si un assemblage combustible est défectueux ou non. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui ont été décrits, elle en comporte au contraire toutes les variantes. C'est ainsi qu'on peut imaginer un procédé pour provoquer la di- latation du gaz contenu dans les éléments combustibles/quelconque, les procédés de dilatation par échauffement et par dépressurisation qui ont été décrits n'étant évidemment pas les seuls utilisables. De même l'écran servant de barrière au déplacement du gaz dans l'eau qui entoure l'assemblage pourra avoir une forme différente de la forme sphérique et être fixé par rapport à l'assemblage d'une façon quel- conque, à partir du moment o cet écran est disposé au-dessus de l'assem- blage sur le trajet des fuites de gaz venant des éléments combustibles de l'assemblage. Enfin le procédé et le dispositif suivant l'invention sont ap- plicables non seulement aux réacteurs nucléaires à eau pressurisée mais également à tout autre type de réacteurs nucléaires utilisant des éléments combustibles comportant une matière fissile enfermée dans un matériau de gainage constituant une enveloppe étanche et réunis en nombre quelconque sous forme dtassemblages. La forme sphérique de l'écran permet un éventuel échantillon- nage des gaz dégagés à l'aide d'un mini-tube et d'un récipient adapté. REVENDICATIONS 1.- Procédé de détection acoustique d'assemblages combustibles d'un réacteur nucléaire devenus défectueux en service dans le réacteur, par apparition de fissures dans le matériau de la gaine renfermant le matériau fissile des éléments combustibles constituant les assemblages, le procédé consistant à contrôler séparément chacun des assemblages alors qu'ils sont entièrement immergés dans un liquide de protection contre les radiations, en provoquant une sortie de gaz résultant de la fission de certains matériaux contenus dans les gaines des éléments combustibles par les fissures éventuelles de ces gaines et en détectant cette sortie de gaz éventuelle par enregistrement d'un phénomène acoustique lié à cette sortie de gaz dans le milieu de protection, caractérisé par le fait: - qu'on provoque une dilatation des gaz contenus dans les gaines des élé- ments combuttibles de l'assemblage pour provoquer la sortie de bulles de gaz dans le liquide de protection, lorsque l'assemblage est défectueux, - qu'on arrête la progression des bulles de gaz dans le liquide de protec- tion au moyen d'un écran disposé au-dessus de l'assemblage, - et qu'on enregistre un phénomène acoustique lié au choc des bulles de gaz sur l'écran ou à l'accumulation de gaz sous la surface de l'écran, l'apparition de ce phénomène permettant de détecter l'assemblage défec- tueux. 2.- Procédé de détection acoustique suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la dilatation des gaz est provoquée par é- chauffement de l'assemblage dans une cellule de ressuage. 3.- Procédé de détection acoustique suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la dilatation des gaz est provoquée par une dépressurisation de l'assemblage combustible opérée par remontée de cet assemblage sur une certaine hauteur à l'intérieur d'une piscine renfer- mant le liquide de protection contre les radiations. 4.- Procédé de détection acoustique suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé par le fait que le phénomène acoustique enregistré est une émission sonore provoquée par le choc des bulles de gaz de fission sur l'écran. 5.- Procédé de détection acoustique suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisé par le fait que le phénomè- ne acoustique enregistré est une atténuation de ltécho d'un signal ultra- sonore émis au niveau de la surface de l'écran vers le bas, l'atténuation dans le cas d'un assemblage défectueux étant due à la présence d'une ac- cumulation de gaz sous la surface de l'écran. 6.- Dispositif de détection acoustique pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il est constitué par un écran métallique de forme courbe dont la concavité est dirigée vers le bas, sur la surface supérieure convexe duquel est disposé au moins un détecteur acoustique, cet écran étant solidaire d'une structure comportant des moyens de liaison du dispositif relativement à un assemblage et au-dessus de cet assemblage et des moyens de préhension pour le levage du dispositif relié ou non à un assemblage combustible. 7.- Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé par le fait que le détecteur acoustique lié à la surface supérieure de l'écran est un détecteur sonore de grande sensibilité. 8.- Dispositif de détection acoustique suivant la revendication 6, caractérisé par le fait que le détecteur acoustique est un émetteur- récepteur d'ultra-sons. 9.- Dispositif de détection acoustique suivant l'une quelconque des revendications 6, 7 et 8, caractérisé par le fait que le moyen de liaison permettant le maintien du dispositif au-dessus de l'assemblage est une plaque de support de forme et de dimension correspondant à la forme et à la dimension du couvercle d'une cellule de ressuage.