Brevet FR2464462A1 — publié le 19810306

La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif de mesure du niveau d'un liquide contenu dans une enceinte. De façon plus précise la présente invention con- cerne un procédé et un dispositif pour mesurer le niv;eau d'un liquide contenu dans une enceinte, ce liquide étant en écquilibre avec sa vapeur. De façon encore plus précise, l'invention est particulièrement applicable, mais non exclusivemenit à la mesure du niveau de l'eau liquide contenu-a dans le pressu- riseur d'un réacteur nucléaire à eau sous prussion (PWR). On sait que dans les réacteurs nuciéaires du ty- pe PWR, le maintien de la pression dans le circuit primai- re (et donc dans la cuve du réacteur) a un- valeur de l'ordre de 155 bars est assurée par un pressuriseur qui est constitué par une enceinte fermée dans laquelle on maintient la pression du circuit primaire par équilibre entre la phase liquide et la phase gazeuse de l'eau. Un accident de dépressurisation étant particulièrement grave il est spécialement intéressant de contrôler le fonction- nement de ce pressuriseur et donc le niveau de la phase liquide dans celui-ci. La mesure du niveau de liquide dans le pressu- riseur selon le procédé qui va être décrit ultérieurement permet de fournir une information complémentaire et redon- dante particulièrement utile dans certaines conditions de fonctionnement du réacteur (transitoire de grande amplitu- de incident...). Ce procédé permet de calibrer et de coinm- pléter les mesures actuelles par différence de pression qui pose parfois de, problèmes de représentativité (déri- ve,hystérésis, recalage, inaptitude à déceler d'éventuel- les situations diphasiques). Un premier objet de lrinvention est de mesurer, par interaction avec des rayonements le niveau d'un li- quide dans une enceinte, ce liquide étant surmonté par un gaz. 2 2464462 Un deuxième objet de l'invention est de mesurer le niveau d'un liquide sous pression et chaud en équilibre avec sa vapeur dans une enceinte, cette mesure permettant non seulement de déterminer un niveau d'équilibre entre la vapeur et le liquide, par exemple de l'eau, mais également de donner une image des zones d'équilibre diphasique entre la vapeur et le liquide et l'estimation de la densité cor- respondante. Il s'agit d'une part de zones essentiellement liquides dans lesquelles on trouve des bulles de vapeur et d'autre partdes zones essentiellement de vapeur dans lesquelles on trouve des gouttelettes d'eau. Un troisième objet de l'invention est une telle mesure par interaction de rayonnements avec le liquide, plus spécialement appliquée au cas des pressuriseurs pour réacteur nucléaire à eau sous pression, c'est-a-dire au cas o l'eau peut éventuellement présenter une certaine acti- vité primaire. Un quatrième objet de l'invention est d'effectuer cette mesure dans le cas du pressuriseur d'un réacteur nucléaire à eau sous pression en tenant compte des perturba- tions de la mesure dues au dépôt de corrosion sur les parois de l'enceinte contenant le mélange vapeur-liquide d'eau. L'invention en termes généraux consiste à disposer selon une première génératrice de l'enceinte N émetteurs de rayonnement collimatés dont le faisceau est dirigé sensible- ment selon des diamètres de l'enceinte, et à disposer selon une génératrice diamétralement opposée à la première généra- trice des détecteurs pour recueillir le rayonnement ayant traversé l'enceinte contenant le mélange liquide-gaz. On mesure ainsi l'atténuation du rayonnement et on peut, par identification de la carte axiale des taux de comptage des détecteurs, mesurer la position du niveau du liquide. Par ailleurs, le dispositif ayant été calibré lors de sa mise en place (mesure initiale: enceinte vide, puis avec différents niveaux d'eau), on peut estimer, à plusieurs cotes verticales, la densité d'eau moyenne le long du trajet du rayonnement. De préférence, le nombre de sources de rayonne- ment N est très inférieur au nombre N' de détecteurs de rayonnement. 3 2464462 Selon un premier mode de mise en oeuvre, le rayonnement est un rayonnement y produit par une source radioactive telle que le cobalt 60. Selon un deuxième mode de mise en oeuvre, le rayonnement est un faisceau de neutrons produit par exem- ple par une source de neutrons de 14 MeV obtenue par réac- tion deutérium-tritium. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de mise en oeuvre du procédé et de réalisation des dispo- sitifs correspondants qui sont donnés à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles on a représenté: - sur la figure 1, une vue en coupe verticale d'un pressuriseur montrant l'implantation des sources de rayonnement et l'implantation des détecteurs de rayonne- ment; - sur la figure 2, une vue en coupe horizontale montrant plus en détail un exemple de réalisation dans lequel le rayonnement est un rayonnement y; - sur la figure 3, une vue en couse d'un mode de réalisation du collimateur associé au détecteur; - sur les figures 4 et 5, des schémas illustrant un mode de détection du niveau à l'aide de sources de rayonnement y et de détecteurs, et - sur la figure 6, un exemple de configuration diphasique à l'intérieur du pressuriseur illustrant un des avantages du procédé objet de l'invention. Sur la figure 1, on a représenté un exemple de mise en oeuvre du procédé. Sur cette figure, on voit en coupe verticale axiale le pressuriseur 2 constitué par une paroi latérale cylindrique 2a et fermée par un fond supé- rieur 2b. Dans cette enceinte, on trouve une phase liquide 6 en équilibre avec une phase vapeur 8. On a symbolisé par le trait horizontal 10 l'interface entre ces deux milieux.. Bien entendu, on sait qu'en fait cette séparation peut ne pas être aussi rigoureuse. 4 2464462 Pour assurer la détection du niveau, on a dispo- sé selon une droite parallèle à une génératrice de la paroi latérale 2a des sources de rayonnement S, S2 et S3. Selon une droiteparallèle à une génératrice de la paroi latérale 2a du pressuriseur et contenue dans le même plan axial que la première génératrice, on a disposé une pluralité de détecteurs de rayonnement portant la référence générale D1. Ces détecteurs couvrent partiellement ou totalement la hauteur axiale du pressuriseur. Sur la figure 2, on a représenté plus en détail une partie de cette installation dans le cas o la source de rayonnement est une source y. On retrouve bien sûr l'enveloppe latérale 2a du pressuriseur 2. Par exemple, le diamètre intérieur du pressuriseur est de 213,4 cm et l'épaisseur de la paroi est de 10,8 cm. La source S, qui est par exemple une source de cobalt 60 de 1000 curies est logée dans un blindage 20 qui se prolonge par une collima- tion 22 vers la paroi 2a. Cette collimation est conçue pour limiter le rayonnement d'une des sources S, à une partie d'espace autour du plan vertical contenant la source et la génératrice sur laquelle sont alignés les détecteurs. Par exemple, la distance entre le contact avec la paroi 2a et la source est de 100 cm. Disposé sur un même diamètre du pressuriseur, on trouve un détecteur D1. Ce détecteur peut être un scintilla- teur à l'iodure de sodium. Ce détecteur est également logé dans un blindage 22. Entre le détecteur D1 et la paroi 2a et à l'intérieur du blindage 22, on trouve de préférence un collimateur 24 formé de plaques métalliques parallèles aux rayonnements incidents et dont la section peut être par exemple en forme de quadrillage. Ce quadrillage est consti- tué par un ensemble de tôles métalliques. Sur la figure 3, on voit mieux ce collimateur qui présente par exemple un pas de 1 cm. Par exemple, la longueur du collimateur selon le trajet du rayonnement est de 120 cm. 2464462 On sait qu'un rayonnement y traversant un maté- riau donné présente un certain taux d'atténuation (T) en ligne droite. En plaçant donc un détecteur en face de la source on peut mesurer le rayonnement qui a traversé le liquide ou le gaz et en déduire la densité de ce liquide ou de ce gaz ou même du mélange liquide-gaz. En disposant les sources et les détecteurs à des niveaux différents selon la direction axiale du pressuri- seur, on peut ainsi dresser une carte axiale de la densité du fluide emplissant le pressuriseur. Il faut cependant rappeler que le rayonnement doit également traverser les parois métalliques du pressuriseur. Le tableau ci-après donne le libre parcours moyen pour le rayonnement y selon son énergie. TABLEAU I Libres parcours moyens pour les calculs de flux sans choc pour les gammas de 1 MeV P H20 liquide = 593,2 kg m3 155 bars P H20 vapeur = 102,4 kg m-3 345 C Particules XFer XH20 liquide.H20 vapeur Gammas de 1,33MeV 2,46 cm 27,53 cm 159,47 cm Gammas de 1,17MeV 2,31 cm 25,76 cm 149,22 cm Gammas de 800 KeV 1,92 cm 21,45 cm 124,24 cm Si l'on considère l'exemple particulier illustré par la figure 2 et les données numériques citées plus haut, on aurait les taux de comptage suivants: TV 6x104 s-1 en phase vapeur, TL 90 s-1 en phase liquide pour une pression de 155 bars et une température de 345 C. Dans ces calculs, on considère que le détecteur Dlest placé en face de la source S1 et à la même hauteur. Comme on l'a indiqué, il est nécessaire de prendre en compte l'activité déposée correspondant aux dépôts de produits de corrosion sur les parois du pressuriseur. Cependant, les sys- tèmes de collimation quadrillée représentés sur la figure 2 permettent de minimiser l'influence du dépôt desproduits de corrosion. En effet, chaque surface élémentaire émettrice de la paroi n'éclaire ainsi que la surface en regard du détecteur sans pour autant limiter sensiblement le rayonnement issu de la source S1 qui se présente comme un faisceau quasi parallèle au niveau du détecteur. Dans ces conditions, on peut dire que le taux de comptage correspondant au dépôt est faible devant celui qui est dû à la source. Il faut également tenir compte de la contribution de l'activité de l'eau primaire sur les détecteurs. Le taux de comptage correspondant serait très faible pour les activités de l'eau primaire correspondant à un fonctionnement normal du réacteur. Le taux de comptage du détecteur étant fonction du nombre des molécules d'eau rencontrées en ligne droite par le rayonnement, ce taux mesuré donne une image de la densité de l'eau au niveau du détecteur. En particulier, il est possible par cette méthode de détecter des configurations diphasiques très particulières comme celles de la figure 6. On y trouve dans la partie centrale des bulles B de vapeur alors que la zone périphérique P est entièrement constituée par de l'eau liquide. Les figures 4 et $ donnent, d'une part, un repérage des niveaux d'eau N1, N2.... N8 (figure 4) par rapport aux sources gamma S1 et S2 et, d'autre part, (figure 5) le taux de comptage T ( rents niveaux qui sont repérés 1, 2... 8. Le procédé précédemment décrit risque d'être plus difficile à mettre en oeuvre en cas d'activité trop importante de l'eau primaire. Pour pallier cette difficulté, on peut utiliser un ou deux détecteurs placés de telle façon qu'ils ne soient pas soumis aux rayonnements émis par les sources. On peut ainsi corri- ger dans le taux de comptage total la partie qui est due à l'activité de l'eau. D'un point de vue pratique, la mise en place d'une source de 60Co de 100OCi pose des problèmes en raison de l'importance de la protection contre les radiations qu'elle exige. Il faut un conteneur de plomb de 21cm ayant un poids d'environ 1 tonne. La dose au contact est alors inférieure à mrem/h. C'est pourquoi, il peut être intéressant de remplacer le rayonnement gamma par un faisceau neutronique. On peut en particulier utiliser une source deutérium-tritium donnant des neutrons de 14 MeV avec une émission de l'ordre de 5.1010 neutrons s-1 dans un angle solide de 4u. Pour un détecteur ayant les caractéristiques suivantes: - surface. de détection: 160 cm2 - efficacité: 0,01 on aurait avec une source et un détecteur sur un même diamètre, tous deux étant placés à 30 cm de la paroi, les ordres de grandeur des taux de comptage suivants T 100 o 1 en phase vapeur, T 1,4 x 10 3 s 1 en phase liquide, -2 -. T 3,6 x 10 2 S 1pour un mélange diphasique o les 3/4 du parcours se font en liquide. Dans ce cas, on utilise bien sûr un détecteur adapté à la détection des neutrons. L'exploitation des comptages se fait comme.avec le rayonnement gamma et on peut ainsi dresser une "carte" axiale des densités et donc des répartitions eau liquide- eau vapeur. Il faut cependant observer que dans le cas o l'on utilise une source de neutrons, lestaux de comptage indiqués précédemment montrent qu'il est pratiquement impossible de déceler la présence d'une faible proportion de vapeur dans le liquide. On voit donc que le procédé objet de l'invention permet de dresser un relevé axial de la densité du fluide remplissant l'enceinte et donc de déduire le niveau de liquide dansl'enceinte avec une précision qui dépend du nombre de détec- teurs utilisés. On voit de plus qu'il est possible de s'affranchir des difficultés résultant de l'activité éventuelle de l'eau contenue dans l'enceinte et des dépôts de produits de corrosion sur la paroi interne de l'enceinte. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure du niveau de la surface d'un liquide dans une enceinte à axe vertical, caractérisé en ce qu'on place sur une même verticale à proximité de la paroi de ladite enceinte N sources de rayonnements aptes à produire des faisceaux de rayonnements dans ladite enceinte, en ce qu'on place sur une deuxième verticale contenue dans le plan dudit axe et de ladite première verticale N' détecteurs de rayonnement (N' > N) disposés à différents niveaux, en ce qu'on mesure avec lesdits détecteurs l'intensité du rayonnement ayant traversé ladite enceinte, et en ce qu'on déduit des différentes mesures le niveau de la surface du liquide et/ou la densité locale du mélange diphasique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit rayonnement est un rayonnement y ou de neutrons. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits neutrons émis sont des neutrons rapides. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on dispose au moins un détecteur dans une zone non atteinte par ledit rayonnement émis par les sources pour mesurer l'activité correspondant au dépôt du produit de corrosion actif sur la paroi de l'enceinte et l'activité propre dudit liquide contenu dans l'enceinte. 5. Dispositif de mesure du niveau de la surface d'un liquide dans une enceinte à axe vertical, caractérisé en ce qu'il comprend: - N sources de rayonnements disposées sur une même première ver- ticale à proximité de la paroi de l'enceinte, lesdites sources étant aptes à émettre des rayonnements traversant ladite enceinte, - N' détecteurs de rayonnement (N' > N) disposés à des niveaux successifs sur une deuxième verticale contenue dans le plan défini par la première verticale et ledit axe, lesdits détecteurs étant aptes à détecter le rayonnement ayant traversé ladite enceinte, chaque détecteur mesurant l'intensité du rayonnement reçu. - des moyens pour traiter lesdites mesures et en déduire le niveau de la surface du liquide et/ou la densité locale du mélange diphasique. l - -à a 2464462 6, Dispositif selon la revendication 5, caracté- risé en ce que lesdites sources sont des sources au 60Co et en ce que lesdits détecteurs sont des scintillateurs ou des chambres d'ionisation sensibles au rayonnement y. 7. Dispositif selon la revendication 5, caracté- risé en ce que lesdites sources sont des sources de neutrons et en ce que lesdits détecteurs sont des détecteurs pour neutrons. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les sources de neutrons sont du type à réaction deutérium-tritium, réaction (a - n) ou fission spontanée. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 5 à 8, caractérisé en ce que l'enceinte est un pressuri- seur pour réacteur nucléaire à eau légère dans lequel l'eau liquide est en équilibre avec sa vapeur, l'eau étant susceptible d'être radioactive et la paroi de l'enceinte étant susceptible de recevoir des dépôts de produits de corrosion radiactifs, et en ce que ledit dispositif comprend en outre au moins un détecteur supplémentaire disposé en dehors de la zone atteinte par le rayonnement, ledit détecteur étant apte à mesurer le rayonnement dû à la radioactivité de l'eau et desdits dépôts. 10. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 5 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend entre la paroi de l'enceinte et chacun desdits détecteurs un dispositif de collimation du rayonnement ayant traversé l'enceinte. Ce disposi- tif est formé d'un ensemble de plaques métalliques parallèles dont la fonction est de réduire la contribution, au taux de comptage des émetteurs de rayonnements parasites situés à pro- ximité des détecteurs (produits de corrosion déposés sur la paroi; émetteurs dispersés dans le volume du pressuriseur).