Brevet FR2498765A1 — publié le 19820730

La présente invention se rapporte à dos thermo- mètres perfectionnés à rayonnements gamma, ou thermomè- tres gamma, dans l'environnement haute pression d'un ré- acteur nucléaire à eau pressurisée. incluant mais pas nécessairement limités à des thermomètres gamma du type décrit dans le brevet français EN 7905739 déposé le 6 mars 1979, apparenté à la présente demande. Aussi bien les thermomètres gamma du type pré- cité que les thermomètres gamma de type classique fonc- tionnent selon le principe du dégagement de chaleur à l'intérieur d'un corps interne ou coeur chauffant comme conséquence de son absorption de rayonnements gamma,la chaleur ainsi dégagée étant transmise le long de trajets contrôlés de flux thermique jusqu'à un puits de chaleur. Un tel flux thermique entraîne un accroissement de température qui peut être mesuré et qui est sensiblement proportion- nel au taux d'absorption du rayonnement. La mesure de la température est effectuée par un détecteur engendrant un signal électrique, par exemple un thermocouple, dont le signal de sortie peut s'écarter de la proportionna- lité linéaire en fonction de l'insensibilité à la tempé- rature des matériaux thermoconducteurs utilisés et de la quantité de chaleur dispersée le long de trajets se- condaires antres que les trajets principaux contrôlés de flux thermique. Des essais ont été menés pour empé- cher une dissipation non maîtrisée de la chaleur le long des trajets, déterminée par un rayonnement infra- rouge et par la conduction des gaz à partir du corps chauffant ou du détecteur. Ainsi, des pertes de chaleur par rayonnement sont réduites par calorimétrie dans des plages de température limitées. A l'intérieur de réac- teurs modérés par eau légère, par exemple, les tempéra- tures des détecteurs sont maintenues au-dessous de 450'C, de sorte que les pertes par rayonnement constituent une fraction négligeable du taux global de débit calorifique. Toutefois, une réduction des pertes de chaleur se pro- duisant par conduction des gaz soulève de plus grandes difficultés. En essayant de réduire les pertes par conduc- tion des gaz par les zones de résistance thermique d'un thermomètre gamma, on a créé dans ces régions un vide leur faisant atteindre un haut niveau de dépression. Ce- pendant, le signal de sortie du thermomètre gamma Indi- que alors une variation avec le temps. Par conséquent, on a utilisé dans la zone de résistance thermique un gaz de remplissage présentant une faible conductibilité thermique. Bien qu'on ait atteint un signal de sortie stable dans ce dernier cas, une proportion importante de la chaleur était dispersée par suite de la conduc- tion des gaz. En outre, lorsqu'on utilise un gaz de rem- plissage pour éviter une variation de signal variant avec le temps, des variations dans la température ambi- ante entraînent une variation indésirable du signal de sortie. Il a été établi que les pertes par conduction des gaz dans des thermomètres gamma étaient dues à une contamination, par l'hydrogène gazeux, des zones de résistance thermique, telles que les chambres mises sous vide ou emplies de gaz des thermomètres gamma clas- siques, ou bien les espaces vides axiaux du corps gé- nérateur de chaleur des thermomètres gamma du type décrit dans la demande de brevet mentionnée ci-avant. Une telle contamination par l'hydrogène résulte de l'u- tilisation d'aciers inoxydables austénétiques ou d'al- liages métalliques à base de chrome et de nickel, com- me l'Inconel, qui laissent passer les molécules d'hydro- gène gazeux. En outre, lorsqu'il y a vide poussé, ces métaux sont soumis à un processus de dégazage. de sorte que les zones sous vide d'un thermomètre gamma dans un réacteur se chargent rapidement de molécules d'hydro- gène gazeux, ce qui augmente de manière drastique la conductibilité thermique de la zone déprimée. Concernant les zones emplies de gaz d'un thermomètre gamma, leur conductibilité thermique est également altérée de manlè- re notable par l'introduction d'hydrogène gazeux. Un métal couramment utilisé pour réaliser des noyaux de réacteurs est le Zircaloy, car il présente un faible taux de capture parasite de neutrons thermiques. Le Zircaloy possède aussi toutes les caractéristiques thermiques nécessaires à la construction du coeur ou corps générateur de chaleur de thermomètres gamma. De plus, les surfaces oxydées du Zircaloy laissent rela- tivement bien passer l'hydrogène gazeux et le matériau lui-même absorbe les molécules d'hydrogène à de hautes températures pour donner naissance à de l'hydrure de zirconium. Toutefois, utilisé sous la forme d'une en- veloppe ou barrière de pression relativement mince, le Zircaloy n'est pas approprié aux conditions de con- trainte de longue durée d'un réacteur à eau pressuri- sée à cause de sa résistance structurelle relativement faible. L'objet essentiel de la présente invention est donc de proposer un thermomètre gamma dans lequel la contamination par l'hydrogène de ses zones de ré- sistance thermique est réduite par l'utilisation de Zircaloy, tout en maintenant de telles zones protégées contre la pression résultant de l'environnement du ré- acteur, sans dépasser les limitations dimensionnelles imposées par une telle installation. Selon les caractéristiques essentielles de l'invention, la barrière de pression d'un thermomètre gamma, entourant une ou plusieurs zones de résistance thermique aussi bien que le coeur, comprend une partie externe en acier inoxydable ou en Iconel et une bordu- re interne relativement mince en Zircaloy. La zone de résistance thermique est formée par la chambre d'un thermomètre gamma classique ou par un espace vide axi- al dans le corps d'un thermomètre gamma du type décrit dans la demande de brevet mentionnée ci-dessus. Par ailleurs, le coeur ou corps générateur de chaleur du thermomètre est également réalisé en Zircaloy. La forme de réalisation à deux couches de la barrière de pression assure la résistance nécessaire satisfaisant aux conditions régnant dans l'assemblage d'aiguilles de combustible d'un réacteur à eau sous pres- sion et respectant les limitations dimensionnelles d'une telle installation. La bordure interne en Zircaloy de la barrière de pression, présentant une section trans- versale plus petite que celle du coeur en Zircaloy, empêche une contamination par l'hydrogène gazeux de la zone de résistance thermique qui se présente soit comme un espace sous vide, soit comme un espace empli d'un gaz. L'invention va à présent être décrite plus en détail en regard desdessinsannexà à titre d'exemples nullement limitatifs et sur laquels: - la figure 1 est une coupe longitudinale partiel- le d'un thermomètre gamma perfectionné selon un mode de réalisation de la présente invention; - la figure 2 est une coupe longitudinale partiel- le illustrant un autre mode de réalisation; et - la figure 3 est une coupe longitudinale partiel- le d'un thermomètre gamma de type classique auquel est appliqué un autre mode de réalisation selon la présente invention. En se référant dans le détail au dessin, la fi- gure 1 représente un thermomètre gamma du type décrit dans le brevet français EN 7905739 du 6 mars 1979 précité. Ce thermomètre, portant globalement la référence 10. se trouve dans un environnement de haute pression, par exemple l'assemblage d'aiguilles de combustible d'un ré- acteur nucléaire à eau pressurisée, et il comporte de ce fait une barrière externe et tubulaire de pression, repérée globalement par la référence 12. A l'abri dans cette barrière tubulaire de pression, se trouve une masse ou corps 14 absorbant les rayonnements gamma et réalisé sous la forme d'un coeur monolithique allongé à l'inté- rieur duquel est engendrée de la chaleur. Le corps 14 présente une forme cylindrique de diamètre constant, interrompue en des zones de mesure distantes axialement par des tronçons de diamètre réduit qui constituent des espaces vides 16 de résistance thermique. Un câble sou- ple thermo-électrique 18 à jonctions multiples est logé dans un alésage central du corps 14 pour produire des signaux différentiels de température qui rendent compte des taux de flux calorifique local aux zones de mesure. Les espaces vides 16 de résistance thermique sont mis sous vide ou emplis d'un gaz tel que de l'argon pour don- ner naissance à une région de conductibilité thermique relativement faible comparée à la forte conductibilité thermique du corps 14. Afin de maintenir le vide poussé à l'intérieur des espaces vides de résistance, ou d'empêcher toute diminution de la faible conductibilité thermique pré- sentée par le gaz de remplissage lorsqu'on utilise ce dernier, la barrière tubulaire de pression 12 est d'une forme de réalisation particulière conformément à la présente invention. Cette barrière tubulaire comporte une partie externe 20 en un matériau tel que de l'acier inoxydable ou del'Inconel, possédant les qualités re- quises de résistance structurelle pour supporter le thermomètre gamma et pour protéger son espace interne de l'environnement de haute pression. Cependant, cette partie externe est généralement perméable à l'hydrogè- ne gazeux et elle est parfois sujette à un dégazage par l'hydrogène dans des conditions de température éle- vée, responsable jusqu'à présent de la détérioration thermique dans les espaces vides de résistance. Une bar- rière 22 vis-à-vis d. l'hydrogène gazeux, sous la forme d'un man- chon mince en un matériau imperméable à l'hydrogène ga- zeux t tel que le Zircaloy), constitue une partie in- terne de la barrière tubulaire 12 et entoure les espaces vides de résistance 16. Bien que le manchon 22 ne soit pas lui-même approprié ordinairement dans des installa- tions soumises à de fortes contraintes de longue durée, il a été jugé acceptable lorsqu'il est conjugué avec la partie externe 20 de ladite barrière tubulaire. Le Zircaloy dont est fabriqué ce manchon présente toutes les propriétés souhaitables,soit pour retenir la dépres- sion régnant dans les espaces vides de résistance, soit pour empêcher une contamination par l'hydrogène gazeux du gaz de remplissage t lorsqu'on utilise ce dernier l. étant donné que le Zircaloy absorbe tout hydrogène sus- ceptible de traverser la partie externe 20. La section de la barrière 22 d'hydrogène gazeux est sensiblement plus petite que celle du corps 14. Dans un autre type de réalisation conformément à l'invention, illustré sur la figure 2. une gaine tu- bulaire ininterrompue 20', réalisée en acier inoxydable ou en Inconel constitue une barrière externe de pression - de plusieurs tronçons de détection 24, espacés axiale- ment. qui y sont incorporés. Ces tronçons de détection sont reliés les uns aux autres par un câble souple thermo-électrique commun 18' à jonctions multiples. Du fait que ces tronçons de détection ne sont raccordés les uns aux autres que par le câble 18', ils sont à mé- me d'exercer de grandes forces sur la gaine 20' à cause des différences de coefficients de dilatation thermi- que, mais ils sont cependant en bon contact thermique avec ladite gaine. Chaque tronçon de détection compor- te un corps 14' en Zircaloy présentant un espace vide de résistance 15'. Cet espace est entouré par un man- chon mince 22' en Zircaloy,qui io contre la détérioration par l'hydrogène de la résistan- ce thermique de l'espace libre. Dans la forme de réalisation illustrée sur la figure 3, un thermomètre gamma 26 de type classique est doté d'une barrière externe de pression 28 réalisée en acier inoxydable ou en Inconel, et bordée intérieure- ment par une barrière d'hydrogène 30 en Zircaloy afin d'assurer la résistance nécessaire et la protection contre une détérioration par l'hydrogène d'une chambre 32 à faible conductibilité thermique. Cette chambre est mise sous vide,ou bien elle est emplie d'un gaz dont la conductibilité thermique est faible. A l'intérieur de cette chambre, se trouve un corps 34 générateur de cha- leur. fabriqué en Zircaloy. Un thermocouple 36 à double jonction est noyé dans ce corps 34. Dans chacune des formes de réalisation décrites, la bordure en Zircaloy constitue la barrière d'hydrogène gazeux. Bien que cette barrière en Zircaloy soit de sec- tion relativement petite comparée à celle du coeur géné- rateur de chaleur,elle forme, conjuguée avec la partie externe de la barrière de pression, un ensemble de struc- ture adéquate malgré les limitations dimensionnelles du réacteur auquel s'applique la présente invention. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au thermomètre gamma décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Thermomètre gamma pour environnement de hau- te pression, comportant un corps (14; 14') générateur de chaleur, de conductibilité thermique relativement for- te et au moins une zone (16; 16') de résistance thermi- que, de conductibilité thermique relativement faible, ain- si qu'une barrière de pression (12) entourant ledit corps (14; 14') pour isoler ladite zone de résistance (16 i 16') de l'environnement de haute pression, thermomètre perfectionné, caractérisé par le fait que ladite barriè- re de pression (12) comprend une partie externe (20 z ') dont la résistance structurelle est relativement élevée et une barrière interne vis-à-vis de l'hydrogène gazeux (22, 22') dont la résistance structurelle est relativement faible. 2. Thermomètre perfectionné selon la revendi- cation 1, caractérisé par le fait que la barrièrevis- à-vis de l'hydrogène gazeux consiste en un manchon (22,22') en Zircaloy, qui borde intérieurement la partie externe (20.20') et entoure la zone de résistance (16,16'). 3. Thermomètre perfectionné selon la revendi- cation 2, caractérisé par le fait que le corps (14 j 14') comporte un espace vide axial (16; 16') consti- tuant la zone de résistance, et est réalisé en Zircaloy. 4. Thermomètre perfectionné selon la revendi- cation 3. caractérisé par le fait que la partie externe (20) de la barrière de pression (12) est en acier inoxydable. 5. Thermomètre perfectionné selon la revendi- cation 4. caractérisé par le fait que l'espace vide de résistance (16; 16') est un espace déprimé maintenu sous vide poussé par la barrière d'hydrogène gazeux (22; 22'). 6. Thermomètre perfectionné selon la revendica- tion 4. caractérisé par le fait que l'espace vide de résistance (16;16') est empli d'un gaz de faible conduc- tibilité thermique. 7. Thermomètre perfectionné selon la revendica- tion 1, caractérisé par le fait qu'il comporte un câble souple thermoélectrique (18 j 18') s'étendant dans le corps (14; 14'). 8. Thermomètre perfectionné selon la revendica- tion 7, caractérisé par le fait que le corps (14) est un coeur allongé monolithique, plusieurs zones de résis- tance étant ménagées dans ce coeur sous la forme d'espa- ces vides (16) en des endroits espacés axialement, et étant entourées par la barrière vis-à-vis de l'hydrogène gazeux (22) qui s'étend de manière ininterrompue entre lesdits endroits espacés axialement. 9. Thermomètre perfectionné selon la revendica- tion 7, caractérisé par le fait que plusieurs corps (14'), dans lesquels sont ménagées des zones de résistance (16'), constituent plusieurs détecteurs espacés axialement, en- tourés par la barrière tubulaire de pression (12) et re- liés les uns aux autres par le c&ble thermo-électrique (18'). 10. Thermomètre perfectionné selon la revendica- tion 1, caractérisé par le fait que la barrièrevis-à-vis de l'hydrogène gazeux (22,22') comporte une section sensiblement plus petite que celle du corps '14,14'), ledit corps (14,14') et ladite barrière vis-à-vis de l'hydrogène gazeux (22,22'] étant réalisée en Zircaloy. 11. Thermomètre gamma pour un environnement de haute pression, comportant un corps générateur de cha- leur (34). de conductibilité thermique relativement forte, une barrière externe de pression (28) entourant une ré- gion de faible conductibilité thermique, à l'intérieur de laquelle se trouve ledit corps (34). ainsi qu'un élé- ment (36) qui, détectant la température, est noyé dans ledit corps (34), thermomètre perfectionné caractérisé par le fait qu'il comporte un organe (30) imperméable 1 0 à l'hydrogène gazeux, qui borde intérieurement ladite barrière externe de pression (28) pour empocher la dété- rioration de la faible conductibilité thermique de ladi- te région. 12. Thermomètre perfectionné selon la revendica- tion 11, caractérisé par le fait que la région est une chambre (321 entourée par la barrière externe de pres- sion (28) et l'organe (30) imperméable à l'hydrogène gazeux.