Brevet FR2511175A1 — publié le 19830211

Appareil de contrôle d'agent de refroidissement pour une cuve de réacteur nucléaire La présente invention concerne un appareil de con- trôle de la présence d'agent de refroidissement en pha- se liquide ou en phases liquides et gazeuses mélangées enun ou plusieurs endroits dans un réacteur nucléaire en fonc- tionnement, soit un réacteur à eau bouillante soit un réac- teur à eau sous pression L'invention concerne également un dispositif qui effectue une mesure discrète de la frac- tion de vide ou du pourcentage de matière en phase gazeuse à l'endroit contr 6 lé Elle concerne également un dispositif de mesure de température de liquide ou de vapeur surchauffée. Le besoin existe de dispositifs susceptibles de dé- tecter la circulation en deux phases dans la boucle de refroidissement d'un réacteur et de dispositifs suscepti- bles de détecter le niveau de liquide dans le coeur, les cuves auxiliaires et les tuyauteries d'un réacteur nucléai- re Des réglementations gouvernementales des Etats Unis d'Amérique spécifient des possibilités de mesure "thermo- hydraulique" dans tout réacteur nucléaire en fonctionne- ment Ces besoins et ces conditions résultent de l'expérien- ce aquise par un petit accident de perte d'agent de refroi- dissement par rupture. Pendant un tel "évènement" dans un réacteur à eau sous pression, il peut se trouver une période pendant la- quelle lepressuriseur du réacteur est inondé d'eau pendant que les pompes primaires fonctionnent L'agent de refroi- dissement du réacteur peut alors rester en un courant en deux phases dans la boucle de refroidissement et peut com- porter une fraction notable de vide. Etant donné qu'il n'existe aucun instrument pour indiquer cette condition, l'opérateur du réacteur est in- capab Le de déterminer si une fraction vide existe Lors- qu'une cavitation commence éventuellement à se produire dans les pompes et que ces dernières starr Ytent, la frac- tion vide dans l'agent de refroidissement se sépare, expo- 11175 sant une partie du coeur En raison de l'inexistance Ge dispositifs de contrôle de niveau de liquide pour ce cas, les opérateurs du réacteur ne sont pas informés de ces conditions jusqu'à ce que de sérieux dommages en résultent pour le coeur lui-même. Dans un réacteur à eau bouillante, l'agent de refroidissement dans le coeur est en circulation continue à deux phases en fonctionnement normal Il n'y a actuelle- ment aucun dispositif à lecture directe qui indique à 1 b l'opérateur si la fraction vide se-trouve à une élévation particulière dans le coeur Cela est également vrai pour la lecture de niveau de liquide. Le présent dispositif est conçu pour assurer un contrôle continu des conditions d'agent de refroidis- sement en un ou plusieurs endroits dans une cuve de réac- teur en fonctionnement ainsi que dans des tuyauteries ou des systèmes périphériques Il peut etre utilisé pour dé- terminer le niveau d'agent de refroidissement en un en- droit particulier Il est également capable de mesurer la fraction ou le rapport de vide de la phase gazeuse par rapport à la phase liquide dans l'agent de refroidisse- ment en un ou plusieurs endroits contrôlés En plus de ces mesures, le dispositif délivre un signal de sortie discret qui peut être lié directement aux conditions d'agent de refroidissement depuis le démarrage du réacteur jusqu'à un point fini de température et de pression du fluide, pour lequel la sortie du détecteur adopte une pente différente. A partir de ce point jusqu'au point o la température et la pression du fluide atteignent la "saturation", il a été décidé de définir une "approche de fraction vide". Ces deux points sur la sortie de l'instrument sont déter- minés par le dimensionnement d'un orifice dans la réalisa- tion du détecteur Une mesure de fraction vide est alors représentée par la sortie de l'instrument à partir de ce dernier point, par une décroissance presque linéaire de la lecture de sortie jusqu'à une troisième lecture qui re- présente 100 pour cent de fraction vide ou un niveau de liquide Ce troisième point de la lecture de sortie est également déterminé par le dimensionnement des ori- fices de-l'instrument, en supposant que la force d'en- tratnement "pression" n'est pas un facteur limitatif. Llappareil comporte une longueur de tube de petit diamètre avec une extrémité ouverte positionnée dans la cuve à l'endroit à contrôler. Ce tube peut représenter un orifice en lui-m Dme ou un orifice peut être inclus à l'extrémité ouverte du tube pour produire une chute de pression spécifique en fonction du débit massique dans le dispositif de détec- tion. Le tube sort par la paroi de la cuve vers un - serpentin de refroidissement qui condense la vapeur en liquide et délivre ensuite le liquide sous pression au dispositif de détection, à une température spécifique. Ce dispositif de détection consiste en un second orifice ou étrangement intercalé entre le condenseur et un régula- teur à contre-pression, qui produit une seconde chute de 2 D pression de l'agent de refroidissement en circulation. Un capteur de pression différentielle branché sur ce se- cond étranglement produit un signal analogique qui est une fonction de la chute de pression de l'agent de refroidis- sement liquide à cet étranglement La valeur de cette chute de pression peut différer en fonction de la condition de phase et de la pression du fluide ou des fluides passant par le premier orifice à l'extrémité du tube dans la cuve. Le signal de sortie représente donc la phase fluide au premier orifice par des changements de débit massique à l'en- drdt contrlé Il est entendu que le dispositif fonctionne de la même manière que le fluide soit un simple fluide,ou deux ou plusieurs fluides différents à l'état liquide ou devapeur. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- venition apparattront au cours de la description qui va sui vre de plusieurs exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La Figure 1 illustre schématiquement un appareil de contrôle des conditions d'agent de refroidissement, la Figure 2 illustre graphiquement une sortie de transducteur pour différentes conditions de fluide dans une cuve, et la Figure 3 illustre une configuration modifiée d'un tube utilisé selon l'invention. La Figure 1, qui illustre en partie schématique- ment l'application de l'invention à un réacteur nucléaire, montre une cuve de réacteur 10 La cuve de réacteur 10 contient, en plus du coeur de réacteur et autres appareil- lages non représentés une certaine quantité d'eau liquide 12 et de vapeur 14 La chaleur produite dans le réacteur est extraite par la circulation de l'eau et de la vapeur dans une boucle de refroidissement 16, grâce à une pompe de cir- culation 18 Une longueur de tube métallique 20 de petit diamètre situéedans la cuve sous pression comporte un pre- mier orifice 22 à l'endroit de détection o la condition de l'agent de refroidissement doit être contrblée Le tube sort à l'extérieur de la cuve Cela peut se faire générale- ment par une traversée de cuve soudée, au travers d'une paroi ou d'une section de tube La partie du tube 20 extérieure à la cuve 10 est re- présentée comme étant refroidie par un-serpentin condenseur 24 qui refroidit le liquide et condense et refroidit la va- peur circulant, dans la longueur de tube 20 Un second ori- fice ou étranglement 26 est intercalé dans la longueur de tube 20, audelà de la section du condenseur en un endroit approprié pour le contrble Les étranglements peuvent se présenter sous la forme d'un étranglement venturi, d'un orifice de petit diamètreou de toute autre forme d'étrangle- ment produisant une chute de pression dans la sub- stance liquide circulant dans la longueur de tube 20 Un capteur 28 de pression différentielle carportant des prises de pression en amont et-en aval, entre lesquelles la pres- sion-différentielle du liquide en circulation peut être dé- tèctée estutilisé pour détecter une différence de pression au second orifice 26 Le signal de sortie analogique produit par le capteur 28 peut être appliqué à un dispositif de lecture approprié, de môme qu'à des dispositifs d'alarme qui conviennent pour la surveillance en salle de contrôle. Après 9 tre passé par l'orifice de détection 28, le liquide passe par une soupape 30 de régulation à contre- pression Le régulateur 30 à contrepression maintient la pression sur le côté aval de l'étranglement 26 à un rapport prédéterminé avec la pression de l'agent de re- froidissement liquide circulant dans la boucle de refroidissement du réacteur, maintenant ainsi une chute de pression fixe pour les orifices du dispositif de détection. Le liquide est recueilli dans un réservoir 32 avant d'être ramené dans la boucle de refroidissement 16 par la pompe d'injection 34. Une seule longueur de tube 20 est représenta mais il est bien entendu que le dispositif comporte normalement un certain nombre de ces tubes, contrôlant chacun une po- sition différente de détection dans la cuve du réacteur. Chaque tube peut comporter son propre capteur de pression ou plusieurs tubes peuvent ttre rassemblés pour utiliser un même capteur de pression. Il existe quatre états distincts de fonctionnement du dispositif de réception, comme le montre la Figure 2, et leurs possibilités d'application au fonctionnement du réacteur varient avec le type de réacteur La première con- dition sur la Figure 2 représente la sortie du capteur à partir du moment o la boucle primaire du réacteur est suffisamment mise sous pression pour attaquer le capteur (point A) jusqu'à ce que le point B soit atteint La pente du signal de sortie pendant cette partie est linéaire et elle est contrtilée par la densité (température) du fluide. La seconde condition commence à une température de fluide représentée par T 1 (point B) Ce point de température du fluide varie en fonction de la dimension de l'orifice, de la chute de pression dans le dispositif de détection et de la température et de la pression du fluide Mais pour une réalisation donnée, ce point est une température finie. La sortie du capteur pendant la phase définie comme deuxième condition (points B à C) est une fonction de la variation de densité du fluide provouée par l'augnmentation de température, mais elle est modifiée par la vapori- sation instantanée du fluide après son passage par le premier orifice 4 Cette phase est non linéaire et distinguée de la pente généralisée des conditions 1 et 3. La troisième condition représentée sur la Figure 2 (points C à D) représente la sortie du capteur lorsqu'un niveau du liquide apparatt sans qu'une fraction vide soit présente Dans cette condition, la température et la densité du fluide restent à la toerrature T de saturation par le premier orifice et la chute de pression au transducteur tente de passer au point C ou au point D- Le dispositif fonctionne alors comme un commutateur Le point D sur la Figure 2 représente un niveau de liquide Ce point est défini par les deux orifices utilisés dans la réalisation de l'instrument et par la chute depression dans le dispositif. Si le dispositif de détection est situé à l'extérieur du coeur du réacteur, la température de vapeur ne passe pas au-dessus de la températures T de saturation et la sor- tie du capteur reste au point D. Mais si le capteur se trouve dans le coeur du réacteur, la vapeur dépasse la température de satura- tion et devient surchauffée Sela fait passer la sortie du capteur dans la quatrième condition (points D à E). Dans ce cas, la quatrième condition représente une lec- ture définie qui peut être liée à la température de la vapeur surchauffée à l'endroit de détection De plus, en réduisant la dimension du second orifice pour cette condition, les points D et E peuvent être déplacés vers le haut sur la courbe et une sortie définitive est obtenue représen- tant le changement de débit massique quand la température de vapeur augmente Cette sortie peut être étalonnée pour être lue directement comme température de vapeur La li- mite supérieure de l'instrument nest limitée que par la possibilité, pour la partie de 1 'instrumentationenicontact direct, de supporter les conditions de' température et de débit dans l'environnement Des matières sont connues qui peuvent permettre d'effectuer cette mesure de tempé- rature de vapeur jusqu'à 21000 K Des céramiquessont pro- bablement disponibles ou le seront dans l'avenir pour accroître cette limite supérieure bien au-delà de cette température. Pour en revenir à la Fig 1, le régulateur de contre-pression contrblela chute de pression aux deux orifices à une valeur déterminée (c'est-à-dire 1,4 106 Pa) Les orifices sont dimensionnés de manière que dans cette pre- mière condition, chaque orifice fasse chuter la pression de 0,7 10 Pa, et non dans un écoulement critique Dans la condition liquide, le transducteur de pression diffé- rentielle indique donc 0,7 106 Pa Une seconde condition existe quand le liquide est au-dessous du niveau de la conduite de prélèvement L'espace au-dessus du liquide est rempli de vapeur saturée Dans cette condition, le premier ori- fice voit de la vapeur saturée Etant donné que le second orifice se trouve en aval du serpentin condenseur, il voit toujours du liquide Entre- temps, la vapeur passant par le premier orifice est refroidie et condensée avant d'at- teindre le second orifice Cette condensation et la réduc- tion du volume qui en résulte augmentent la force deentraine" ment du débit par le prenier orifice,par conséquent la chute de pression au premier orifice augmente Etant donné que les deux orifices sont en série, la chute de pression dans le second orifice diminue C'est l'orifice de détec- tion et la sortie du transducteur de pression différentielle décroît Des calculs pour les conditions mentionnées ci- dessus montrent que cette chute est d'environ 4,2 104 Pa. Le débit massique dans la conduite diminue de 3,5 ou davan- tage Ces deux conditions décrites représentent le dispos sitif fonctionnant comme un détecteur de niveau de liquide. Les deux conditions ci-dessus représentent les conditions limites de la fraction vide ou de l'écoulement 11175 en deux phases La troisième condition de fonctionnement de ce dispositif est lorsque l'écoulement d'entrée vers le premier orifice est une fraction vide Par définition, l'orifice de détection doit développer une pression diffé- rentielle de sortie qui se situe entre sa sortie dans la première condition et la sortie pendant la seconde condition L'aspect de détection de fraction vide de ce dispositif produit alors une sortie qui varie régulière- ment (mais non nécessairement de façon linéaire) sur toute la plage de fraction vide car la fraction vide n'existe qu'entre les conditions liquides et de vapeur saturée. Ce dispositif de base peut être utilisé, avec une modification mineure, pour produire une amplification sélective d'un segment donné ' en deux phases. Comme le montre la Figure 3, l'extrémité du tube 20 a été modifiée en augmentant sa surface, avec une pièce 36 en forme de cloche OU de parapluie Dans la configuration re- présentée, cette adjonction permet de recueillir davantage de bulles de vapeur que le dispositif représenté sur la Figure 1 Etant donné que la sortie du dispositif de mesure est liée directement au rapport de la vapeur au liquidere- cueilli par l'orifice, il est possible d'amplifier la frac- tion de vide perçue en recueillant davantage de vapeur- que celle représentant la fraction de vide réel qui existe. Cela permet alors que la très faible zone de fraction de vide (ébulli tion nucléaire) produise une lecture à dévia- tion totale dans le dispositif de détection Lorsque cela est fait, une fraction de vide réelle se-situant entre O et par exemple 2 pour cent, peut être considérée comme une fraction de vide de O à par exemple 100 pour cent. En retournant la cloche et l'orifice de prélève- ment, il est possible de recueillir de l'humidité entraînée (gouttelettes) par la vapeur, de la même manière Par exem- ple, en recueillant suffisamment de gouttelettes à une fraction de vide de par exemple 80 pour cent pour que le capteur indique une fraction de vide de O pour cent quand l'orifice de détection voit une fraction de vide de 80 pour cent Le capteur indique alors O à 100 l OO quand la vapeur passe de 80 à 1 OO, Le dispositif avec une amplification d'entrée devient extrêmement utile dans des applications à la recherche ainsi quepour la mesure de la qualité de la vapeur d'eau ou d'autres va- peurs Par exemple, sur le c 8 té générateur de vapeur d'une centrale électrique Il est également posdible d'obtenir un signal de sortie indiquant la fraction vide qui circule par le premier orifice en détectant la position de la soupape dans le régulateur de contre- pression; telle qu'elle est utilisée ici, ltexpression "fraction vide" désigne le rapport en volume de la va- peur au liquide coexistant en un endroit fini Pour le liquide, la fraction vide est nulle et pour de la va- peur saturée, la fraction vide est cent pour cent. L'utilisation pratique de ce dispositif dans un réacteur nécessite-des possibilités d'espace ainsi qu'un accès physique à la cuve et aux tuyauteries asso- ciées Les réalisations courantes des réacteurs à eau bouillante et à eau sous pression offrent un espace ver- tical suffisant dans leur coeur pour dix à dix-huit conduites de détection constituées par des longueurs de tubes telles que décrites ci- dessus Il semble pratique de faire passer ces conduites hors de la cuve par les conduites existantes d'injection de borate ou autres en- droits possibles, comme des raccords à brides. Le liquide qui circule à partir de la cuve du réacteur, mame si cela se fait par un grand nombre de conduites, ne représente qu'un petit débit total par rapport au volume de liquide dans la boucle de refroidis- sement Le dispositif décrit nécessite un réservoir de réception à haute pression 32 et une pompe de réinjec- tion 34 pour ramener le liquide dans la boucle principa- le de refroidissement, mais cet équipement ne cause au- cun problème pratique notable. Le débit normal dans un exemple de tube 20 d'un diamètre de 0,8 mm serait au total de 155 litres/jour 251 1 175 dans une installation de réacteur à eau bouillante de type courant Sauf si un très grand nombre de conduites sont utilisées dans un seul dispositif, le réservoir récepteur 32 et la pompe 34 seraient très petits Un dispositif préféré serait conçu de manière à permettre un débit nominal de 2,27 litres par minute et par con- duite. Le débit hors d'une conduite rompue ne pose aucun problème car l'eau se vaporise instantanément dans la conduite Le débit freiné pour la conduite d'un diamètre proposé de 0,8 mm est égal à 9 litres par jour. La sévérité de ce problème est minimale m 1 àne si un très grand nombre de conduites doivent 9 tre utilisées et si des ruptures multiples viennent à se produire. La réponse dans le temps de ce dispositif est presque instantanée Il en est ainsi car la chute-de pres- sion apparaissant au premier orifice est transmise au second orifice (capteur) à la vitesse du son ou a peu près En outre, si de la boue passant par le premier orifice produit des bruits, les impulsions de pression sont amorties dans une certaine mesure avant d'atteindre le second orifice, ce qui réduit ou régularise le signal de sortie. 1 1 REVENDICATIONS 1 Appareil de contrôle d'un agent de refroi- dissement dans une cuve de réacteur nucléaire comprenant une boucle d'agent de refroidissement liquide circulant sous pression, appareil caractérisé en ce qu'il cormporte au moins un tube ( 20) comprenant une extrémité ouverte avec un premier étranglement ( 22) positionné dans la cuve, ledit tube sortant de la cuve pour délivrer de l'agent de refroidissement sous pression depuis son extrémité ouverte vers l'extérieur de la cuve, un second étrangle- ment ( 26) intercalé entre l'extrémité ouverte du tube ( 20) et une pompe ( 34) pour produire une chute de pres- sion de l'agent de refroidissement prélevé suivant la longueur du tube et un dispositif de détection ( 28) branché sur ledit second étranglementpour produire un signal de sortie en fonction de la chute de pression de l'agent de refroidissement au second étranglement. 2 Appareil selon la revendication 1, caracté- risé en ce que lesdits-étranglements ( 22, 26) consistent en un étranglement venturi ou un orifice. 3 Appareil selon la revendication 1-, caracté- risé en ce qu'il comporte en outre une soupape ( 30) in- tercalée dans ledit tube entre le second étranglement ( 26) et la pompe ( 34) pour contrôler le débit de liquide dans la soupape et maintenir la pression sur le côté aval dudit second étranglement dans un rapport prédéter- miné avec la pression de l'agent de refroidissement li- quide qui circule dans la boucle. 4 Appareil selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il comporte en outre une soupape ( 30) in- tercalée dans ledit tube ( 20) entre le second étrangle- ment ( 26) et la pompe ( 34) pour contrôler le débit de liquide dans la soupape et maintenir la pression sur le côté aval dudit étranglement dans un rapport prédéterminé avec la pression de l'agent de refroidissement liquide qui circule dans la boucle, et un dispositif de refroidis- sement ( 24) prévu à l'extérieur dudit tube en amont du- dit second étranglement pour condenser l'agent de re- froidissement dans le tube en une phase liquide en amont du tube. 5 Appareil selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il comprend un certain nombre de tubes ( 20) comportant des extrémités ouvertes indi- viduelles à des élévations incrémentales différentes, chaque tube comportant un second étranglement ( 26) in- dépendant et un dispositif de détection ( 28) indépendant. 6 Appareil selon la revendication 1, carac- térisé en ce que ledit premier étranglement ( 22) consiste en un certain nombre d'orifices dans un même tube.