Brevet FR2499253A1 — publié le 19820806

La présente invention se rapporte à l'étalonna- ge de thermomètre à rayonnements gamma et, plus spéciale- ment, au réétalonnage de tels instruments une fois ins- tallés dans un réacteur nucléaire ou étalonnage "in situ". De nombreuses tentatives ont été menées pour effectuer un étalonnage " in situ 1 d'instruments de dé- tection de puissance qui ne peuvent pas être étalonnés à l'extérieur du réacteur. Du fait que de tels instru- ments nécessitent un réétalonnage fréquent à l'intérieur du coeur on utilise d'onéreux systèmes mobiles à cham- bres de fission, qui impliquent l'utilisation de sondes mobiles logées dans le noyau, afin de comparer des si- gnaux provenant de nombreux détecteurs stationnaires au signal émis par un détecteur unique situé à proximité de chacun des détecteurs stationnaires dans le réacteur. Alors que de nombreux dispositifs de mesure de puissance nucléaire locale doivent être fréquemment réétalonnés, les dispositifs de mesure de puissance décrits dans la demande de brevet français EN 7905739 du 6.3.79 apparentée à la présente demande, sont conçus pour assurer un étalonnage dès le stade de la fabrication. Par conséquent, de tels dispositifs de mesure de la puissance comportent un corps thermoconducteur allongé,,qui est également élec- triquement conducteur pour permettre d'utiliser un é- chauffement par résistance électrique en vue d'effec- tuer l'étalonnage avant la mise en service dans un réac- teur nucléaire. Néanmoins, un réétalonnage de tels ins- truments préalablement étalonnés est toujours souhaita- ble pour assurer que leur sensibilité reste constante. De ce fait, il serait souhaitable d'enlever périodique- ment du réacteur ces appareils de mesure de puissance. afin de renouveler la même opération d'étalonnage que celle effectuée avant la mise en service. Cependant cette opération de réétalonnage ne peut pas être effec- tuée du fait que l'appareil devient extrêmement radio- actif après qu'il a fonctionné à l'intérieur du réacteur, et qu'il ne peut pas être manipulé en toute sécurité. Un objet important de la présente invention consiste par conséquent à proposer un appareil et un procédé économiques pour effectuer le réétalonnage d'ap- pareils de mesure de la puissance, après qu'ils ont été préalablement étalonnés par un échauffement de résistan- ce, sans les enlever d'un réacteur nucléaire. Selon les caractéristiques essentielles de l'in- vention, un câble chauffant allongé est entouré par une rangée de câbles thermoélectriques à jonctions multiples logés à l'intérieur du corps allongé thermoconducteur d'un appareil de contrôle de la puissance locale, qui est échauffé par des rayonnements gamma pour produire un signal différentiel de température qui, provenant de la sortie desdits câbles thermoélectriques, rend compte de la quantité de chaleur engendrée par les rayonnements gamma. Bien que l'appareil ait été étalonné préalablement avant sa mise en service par un échauffement par résis- tance électrique de son corps thermoconducteur, il peut être réétalonné en faisant pénétrer du courant provenant d'une source extérieure dans le câble chauffant, pour permettre un échauffement supplémentaire du corps absor- bant les rayonnements gamma, produisant un signal de réponse à la sortie des thermocouples. Une mesure et une analyse de l'état stationnaire d'un tel signal de réponse pendant une période d'étalonnage permettent de dé- terminer la sensibilité de l'appareil au courant. Le câble chauffant comporte une gaine externe en acier inoxydable qui entoure un élément chauffant en Nichrome, noyé dans une substance isolante. De ce fait, le courant provenant de la source extérieure tra- verse l'élément chauffant pendant la période d'étalon- nage. Un trajet de retour du courant est assuré soit par un conducteur individuel en cuivre parcourant le câble, soit par la gaine elle-même. Dans un mode de réalisation conformément à. l'invention, le courant d'échauffement appliqué augmente le débit calorifique pour lui faire atteindre une nou- velle valeur d'équilibre qui est la somme de l'échauffe- ment provenant de l'absorption des rayonnements gamma et de l'échauffement supplémentaire d'origine électrique. Le signal de réponse à la variation du débit calorifique est linéaire, de sorte que la chaleur antagoniste ajou- tée électriquement est suffisante pour caractériser la réponse sur la zone d'échauffement par les seuls rayon- nements gamma. Egalement lorsque l'échauffement supplé- mentaire est interrompu brusquement pour produire une chute de signal provenant du thermocouple,une telle va- riation du signal permet une détermination précise de la sensibilité par une analyse du temps de réponse au- quel la sensibilité est comparée. En variante, le cou- rant d'échauffement appliqué peut varier de manière si- nusoïdale à une fréquence de variation et une fonction de transfert peut être extraite d'un signal de réponse correspondant. Une analyse de cette fonction de trans- fert assure également une détermination précise " in situ " de la sensibilité. L'invention va à présent être décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure 1 est une coupe longitudinale par- tielle d'un appareil de mesure du débit local de puis- sance, auquel la présente invention peut être appliquée; la figure 2 est une coupe transversale partiel- le selon la ligne 2-2 de la figure 1; la figure 3 est une coupe transversale à échel- le agrandie du câble chauffant de la figure 2; la figure 4 est une coupe transversale illus- trant une variante de réalisation dudit câble chauffant j la figure 5 illustre par un schéma électrique simplifié un procédé d'étalonnage " in situ ' conformé- ment à la présente invention; les figures 6 et 7 sont- des illustrations gra- phiques des signaux de réponse obtenus pendant les opé- rations d'étalonnage effectuées grâce au procédé de la figure 5; la figure 8 est une représentation graphique de la courbe d'étalonnage obtenue à partir des données re- présentées graphiquement sur les figures 6 et 7 la figure 9 est un schéma électrique simplifié illustrant un autre procédé d'étalonnage; la figure 10 est une représentation graphique des signaux de réponse associés au procédé de la figure 9: et la figure 11 est la représentation graphique de la courbe d'étalonnage obtenue à partir des données re- présentées graphiquement sur la figure 10. En se référant en détail aux dessins, la figure 1 représente un dispositif typique auquel est appliquée la présente invention, comme décrit de manière plus dé- taillée dans la demande de brevet apparentée précitée. Pour l'essentiel, ce dispositif est un appareil de con- trôle de puissance locale, portant globalement la réfé- rence 10 et logé dans l'assemblage d'aiguilles de combus- tible d'un réacteur nucléaire à eau pressurisée. Cet appareil de contrôle de la puissance comporte une masse ou corps 12 thermoconducteur, allongé et entouré par une gaine tubulaire 14. Des zones 16 de résistance thermique sont ménagées dans le corps 12, en des endroits de mesure espacés axialement, auxquels des signaux différentiels de température sont obtenus grâce à un thermocouple 18 à jonctions multiples s'étendant dans un alésage central du corps 12. L'appareil 10 peut être étalonné avant sa mise en service dans son environnement radio-actif, soit par un échauffement direct par résistance électri- que du corps 10 ( comme décrit dans la demande de brevet antérieure mentionnée précédemment, soit par une mesure du taux de variation du signal à la sortie du thermocouple différentiel 18, en réaction à un refroidissement brus- que d'un ensemble chauffé uniformément. Un réétalonnage assurant la sensibilité constante du corps 12 à l'échauf- fement est effectué nin situ h conformément à la pré- sente invention, afin d'éviter un enlèvement de l'appa- reil du réacteur et une manipulation de cet appareil dans son état hautement radio-actif après avoir fonction- né à l'intérieur du réacteur. Comme on le voit plus particulièrement sur la figure 2, le thermocouple 18 consiste en une rangée de câbles thermoélectriques 22 à jonction double, qui se prolongent vers les zones de mesure en parcourant l'a- lésage central 20. Ces câbles thermoélectriques sont regroupés autour d'un câble chauffant d'étalonnage 24 occupant une position centrale à l'intérieur de l'alé- sage 20. Ce câble chauffant 24 provoque un échauffement supplémentaire du corps 12 dans chacune de zes zones de mesure pendant une période d'étalonnage et il est ali- menté à partir d'une source extérieure de courant élec- trique. Ce câble 24 assure un échauffement uniforme des câbles 22. Dans une forme de réalisation conformément à l'invention, illustrée sur la figure 3, le câble chauf- fant présente une gaine externe 26 en acier inoxydable et un élément interne 28 de chauffage par résistance électrique, sous la forme d'un fil de Nichrome. Un trajet de retour du courant est assuré par un conduc- teur en cuivre 30. Aussi bien le fil de Nichrome que le conducteur en cuivre sont noyés dans une substance isolante 32, se présentant sous la forme d'oxyde d'alu- minium. Le diamètre externe de l'élément chauffant t fil de Nichrome) mesure 0,15 mm. Le fil de cuivre présente un diamètre de 0,1 mm et le diamètre de la gaine en acier inoxydable est de 1 mm, par exemple. Des débits calorifiques pouvant atteindre jusqu'à 5 watts par centimètre de longueur de câble peuvent ainsi ètre obtenus. La figure 4 représente un autre mode de réalisa- tion dans lequel on utilise un câble chauffant-24V qui comporte seulement un élément -chauffant 2a' en Nichrome. noyé dans une substance isolante 32'. Le trajet de re- tour du courant est assuré par la gaine externe 26' en acier inoxydable. Dans ce mode de réalisation, des dé- bits calorifiques pouvant atteindre jusqu'à 10 watts par centimètre peuvent être atteints. La figure 5 est un schéma illustrant le câble chauffant d'étalonnage 24 situé à proximité du thermo- couple 18 pour provoquer un échauffement supplémentaire à partir d'une source extérieure de courant 34 commandée par un interrupteur 36. Un signal de sortie ( à T) est habituellement émis par le thermocouple 18 par suite de l'échauffement gamma, comme mentionné ci-avant. L'échauf- fement supplémentaire pendant la période d'étalonnage in situ " est obtenu en fermant l'interrupteur 36, comme l'illustre graphiquement une courbe 38 sur la fi- gure 6. On obtient une augmentation correspondante du signal différentiel de sortie ( AT), par exemple de 400C à 660C, comme l'illustre une courbe 40 sur cette figure 6. La variation de signal représentée par la courbe 40 per- met une mesure de la sensibilité, par exemple de 220C par watt/g, qui peut être déterminée à partir de l'ampli- tude de la région de la courbe 40 réagissant au signal. Cependant, une mesure de la sensibilité par réétalonnage peut être effectuée d'une autre manière pendant la pé- riode d'étalonnage, en interrompant brusquement l'échauf- fement supplémentaire après que le débit calorifique d'équilibre accru a été atteint. Une telle interruption brusque de l'échauffement supplémentaire, due par exem- ple à une ouverture de l'interrupteur, est représentée graphiquement par une courbe 42 sur la figure 7, laquel- le illustre également une courbe 44 montrant une réponse correspondante dans le signal de sortie (A T) du thermo- couple. L'inclinaison de la région de la courbe 44 cor- respondant au signal de réponse peut être mesurée par un voltmètre pour déterminer la sensibilité t comme re- présenté schématiquement sur la figure 5 1. L'analyseur de sensibilité peut être n'importe quel calculateur ap- proprié utilisant un code machine qui compare le temps de réponse et la sensibilité. A partir des données obtenues pendant l'échauf- fement électrique supplémentaire, le signal ( aT 1 a été tracé sous forme de courbe par rapport au débit calori- fique pour obtenir une fonction de sensibilité du détec- teur, comme le montre une courbe 48 sur la figure 8. Du fait que cette courbe 48 présentait une allure linéaire. elle a été extrapolée sur une partie 50 en pointillé pour représenter la sensibilité déterminée du détecteur pendant l'échauffement du réacteur. L'étalonnage pour- rait être effectué pendant des conditions de puissance zéro du réacteur, auquel cas il ne serait pas nécessaire d'extrapoler la courbe 48. La figure 9 illustre une variante du procédé de réétalonnage, dans lequel la source extérieure de courant du câble chauffant 24 est dérivée vers un oscil- lateur 52 qui délivre un courant sinusoïdal de fréquence variable, comme le montre une courbe 54 sur la figure 10. Une fonction de transfert (Yr) déduite d'une courbe 56 sur la figure 10 est extraite du signal de réponse au courant sinusoïdal d'échauffement appliqué au câble chauffant 24 pendant la période d'étalonnage. Une ana- lyse de cette fonction de transfert, réalisée par un analyseur 46', permet d'obtenir une détermination préci- se de la sensibilité de l'appareil 10 incorporé dans le réacteur, en traçant une courbe illustrant la fonction de transfert (T) par rapport au signal ( figure 11) pour obtenir une fonction de sensibilité représentée par une courbe 58 résultant du rapport entre ladite fonction de transfert et le signal du détecteur. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'appareil et au procédé dé- crits et représentés, sans sortir du cadre de l'inven- tion. REVENDICATIONS 1. Appareil d'étalonnage-"in situ" d'un thermomètre gamma utilisé avec un appareil (10) de contrôle de la puissance locale incorporé dans un réacteur nucléaire et comportant un corps allongé (12) chauffé par les rayonnements gamma et une rangée d'organes thermoélectriques (22) pour mesurer les différences de température en plusieurs zones espacées de mesure (16), appareil caractérisé par le fait qu'il présente un élément allongé d'échauffement électrique (24) disposé avec la rangée d'organes thermo- électriques (22) à l'intérieur dudit corps allongé (12), ainsi que des moyens d'alimentation en courant, connec- tés audit élément chauffant (24) à l'extérieur du réac- teur pour chauffer ledit corps allongé (12) auxdites zones de mesure (16) pendant une période d'étalonnage, afin d'obtenir une variation d'étalonnage dans le signal de sortie provenant desdits organes thermoélectriques (22). 2. Appareil d'étalonnage " in situ " selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le corps allongé (12) est échauffé par l'élément chauffant (24), en plus de son échauffement par les rayonnements gamma, jusqu'à un niveau d'équilibre du débit calorifique, et par le fait qu'un moyen (36) permet d'interrompre brus- quement l'échauffement supplémentaire par ledit élément chauffant (24) lorsque ledit niveau d'équilibre du débit calorifique est atteint, pour obtenir une variation cor- respondante dans le signal (A\T) provenant de la sor- tie des organes thermoélectriques (22). 3. Appareil d'étalonnage " in situ " selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte un oscillateur (52) pour faire varier de manière sinu- soidale à une fréquence variable le courant appliqué à l'élément chauffant (24) par les moyens d'alimentation en courant, pour obtenir une réponse correspondante dans le signal de sortie des organes thermoélectriques (22). à partir de laquelle une fonction de transfert (Yt) peut être extraite. 4. Appareil d'étalonnage " in situ " selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'élément chauffant consiste en un câble chauffant allongé (24) occupant une position centrale entre les organes ther- moélectriques (22), afin d'assurer l'échauffement uni- forme de ces derniers. 5. Appareil d'étalonnage n in situ " selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le câble chauffant (24 5 24'1) comprend une gaine externe (26 j 26' l, un élément interne (28; 28') d'échauffement par résistance raccordé aux moyens extérieurs d'alimen- tation en courant, ainsi qu'une substance isolante (32 z 32') entourée par ladite gaine externe (26; 26') et dans laquelle est noyé ledit élément (28; 28')d'échauf- fement par résistance. 6. Appareil d'étalonnage n in situ " selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la gaine externe (26) est en acier inoxydable, l'élément chauf- fant (28) consistant en un fil de Nichrome et la sub- stance isolante (32) étant de l'oxyde d'aluminium. 7. Appareil d'étalonnage " in situ " selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'il comporte un conducteur (30) de retour du courant, noyé dans la substance isolante (32) et raccordé aux moyens d'ali- mentation en courant. 8. Appareil d'étalonnage " in situ n selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les moyens d'alimentation en courant sont raccordés électriquement à la gaine externe (26') pour assurer un trajet de re- tour du courant par cette dernière. 9. Procédé d'étalonnage n in situ n d'un appa- reil de contrôle de puissance locale se trouvant dans un environnement radio-actif et comportant un corps allongé pouvant être échauffé par les rayonnements gam- ma, ainsi qu'un thermocouple logé dans ledit corps et à partir duquel peut être obtenu un signal de sortie différentiel de température, procédé caractérisé par le fait qu'il consiste à échauffer électriquement l'espace interne dudit corps à partir d'une source de courant extérieure audit environnement radio-actif pendant une période d'étalonnage; à contrôler les variations dans le signal de sortie du thermocouple pendant cette pé- riode d'étalonnage; et à analyser lesdites variations dudit signal de sortie pour déterminer une, fonction de sensibilité de l'appareil de contrôle de puissance pen- dant l'échauffement électrique dudit corps. 10. Procédé selon la revendication 9, caractéri- sé par le fait qu'il consiste à interrompre brusquement l'échauffement électrique après qu'a été atteint un é- quilibre à un débit calorifique élevé, l'analyse des variations dans le signal de sortie étant limitée à une analyse du signal de réponse à cette interruption de l'é- chauffement électrique. 11. Procédé selon la revendication 9. caractéri- sé par le fait qu'il consiste à faire varier l'échauffe- ment électrique de manière sinusoïdale à une fréquence variable pendant une période d'étalonnage, pour obtenir un signal de réponse correspondant qui est contrôlé et analysé pour extraire une fonction de transfert à par- tir de laquelle une fonction de sensibilité est déter- minée. 12. Procédé selon la revendication 9, caracté- risé par le fait qu'il consiste à échauffer électrique- ment le corps alors que ce corps est échauffé par les rayonnements gamma et à extrapoler la fonction de sen- sibilité déterminée pour couvrir seulement ledit échauf- fement par rayonnements gamma. 13. Procédé selon la revendication 9, caracté- risé par le fait que l'échauffement électrique a lieu alors que le corps n'est pas échauffé par les rayonne- ments gamma.