Brevet FR2512260A1 — publié le 19830304

i Procédé et instrument pour mesurer la Pression d'un gaz de fission La présente invention concerne une tête de mesure qui est adaptée pour déterminer la pression des gaz de fission libérés à l'intérieur de barres de combustible nucléaire qui ne sont pas équipées d'instruments de mesure et qui ont atteint un degré élevé d'irradiation, la présente invention ayant également trait au procédé pour appliquer des instruments de mesure auxdites barres à l'aide de ladite tête. On sait, dans la technique, qu'il est possible d'équiper avec des instruments de mesure les barres de combus- tible nucléaire afin de déterminer, dans les réacteurs soumis à des essais, le comportement de ces barres vis-à-vis d'une irradiation, c'està-dire la variation des paramètres critiques en fonction du temps. De tels instruments, selon la technique classique, sont mis en place dans les nouvelles barres pendant la fabrication de celles-ci, c'est-à-dire avant que les barres soient instal- lées dans un réacteur d'essai puis irradiées. Il est du plus haut intérêt, par ailleurs, de connaître les conditions du combustible à l'intérieur des barres qui n'ont pas été équipées préalablement d'un instrument de mesure (et qui ont atteint un degré élevé d'irradiation) et qui proviennent de réacteurs de recherche (de manière que l'on puisse effectuer en outre des investigations moins coûteuses et plus précises) et de réacteurs de puissance (de manière que l'on puisse connattre les conditions réelles à un certain moment, spéciale- ment après un fonctionnement irrégulier ou après des accidents)o 11 se pose donc le problème de munir avec un instrument de mesure approprié lesdites barres de combustible particulières (c'est-à-dire celles qui n'ont pas été munies antérieurement d'instruments) après qu'elles ont été soumises à une irradia- tion soit dans un réacteur d'essai soit dans un réacteur de production d'énergie, et ceci constitue exactement l'objet 12260 principal de la présente invention. Une approche connue pour équiper avec des instruments de mesure des barres qui ont déjà travaillé pendant un certain temps dans un réacteur consiste à démonter, soit partiellement soit totalement, dans une cellule chaude, lesdites barres de combustible une fois qu'elles ont été extraites des réacteurs dans lesquels elles ont été irradiées et, ensuite, à les assembler de nouveau complètement, à les faire fonctionner encore dans une cellule chaude, mais en les ayant équipées en supplément d'un instrument approprié (principalement des instruments pour mesurer la pression des gaz de fission). Cette approche connue a bien entendu pour inconvénient qu'il faut assembler de nouveau entièrement la barre complète et ceci à un coût qui dépasse de beaucoup les cofts de fabrication d'une nouvelle barre et que, en outre, les conditions du combustible et des gaz de fission à l'intérieur de la barre réassemblée sont, à la fin de l'opération, entièrement diffé- rentes de celles au départ de sorte qu'elles ne peuvent plus représenter l'état du combustible ancien. La tête de mesure, selon la présente invention, permet au contraire d'éviter l'ouverture de la barre de combus- tible nucléaire pendant la phase d'application de l'instrument (en empochant ainsi la fuite de gaz radioactif de l'intérieur de la barre dans l'environnement extérieur, ce qui a une importance non négligeable du point de vue de la sécurité opératoire) sans perturber ainsi de façon notable l'état du gaz et du combustible à l'intérieur de la barre concernée. La tête de mesure selon la présente invention est composée de deux parties principales, une section inférieure contenant le moyen de perçage et une section supérieure contenant une jauge de pression, ces sections formant, ensemble, une longue boite fermée hermétiquement et close à ses deux extrémités Ladite botte, à l'état encore fermé hermétiquement est soudée à l'une ou l'autre des extrémités de la barre de combustible et, une fois que le soudage a été effectué et vérifié, il devient possible d'effectuer le perçage de la tête de mesure et de la barre à l'aide des outils contenus à l'inté- rieur de la section inférieure de la tète de mesure, en permet- tant ainsi aux gaz de fission de s'écouler de la barre jusqu'à la tête de mesure, dans laquelle des instruments spécialement prévus et disposés antérieurement dans la section supérieure de la tête permettent de mesurer cette pression. Plus particulièrement la tête de mesure en question est équipée intérieurement (dans la section inférieure) d'un foret approprié et d'un moyen autonome qui permet de faire tourner et/ou déplacer vers l'avant ce foret (le déplacement axial pour effectuer le perçage simultané de la base de la tête de mesure et du bouchon de la barre) ainsi que d'un système d'arrêt qui permet, une tois que le perçage est terminé, d'ar- rêter le foret à une position o il laisse libre le trou tel qu'il a été percé Intérieurement encore,mais dans la section supérieure de la tête, est installé un instrument spécial qui mesure (et transmet vers un endroit distant) la variation de pression due à l'entrée des gaz de fission arrivant de la barre Z O de combustible Le moyen qui permet de faire tourner et/ou avancer vers l'avant le foret consiste, de préférence, en un cylindre de fer et/ou un dipole magnétique intégrés au foret et entraînés par un ou deux champs électromagnétiques* Si l'on se réfère à la figure unique du dessin annexé, on voit que la tête de mesure est composée d'un bottier métal- lique cylindrique 20 ayant un diamètre égal (mais il n'en est pas obligatoirement ainsi) au diamètre du bouchon 14 de la barre 18 devant être équipée d'un instrument et éventuellement un diamètre plus taible dans sa section supérieure. La partie inférieure de la tête de mesure est composée d'un bouchon métallique 19 soudé, au point 12, au bottier 20, et comportant facultativement une saillie cylindrique destinée à être introduite dans l'évidement formé préalablement dans le bouchon 14 de la barre afin d'obtenir un positionnement et un " 7 centrage satisfaisant Le bouchon métallique de la tête de mesure 19 est percé intérieurement (trou borgne) et ce trou constitue un guidage pour le foret 11 pendant qu'il est entraîné en rotation et déplacé vers l'avant. Au foret 11 et à l'intérieur du bottier métallique 20 est fixé rigidement un cylindre en fer doux et/ou un dipole magnétique 9 dont le trou central loge le foret et dont le diamètre est légèrement plus petit que le diamètre intérieur du bottier Le cylindre en fer doux et/ou le dipole magnétique permettenti à la fois, d'effectuer (grâce à la force motrice du champ électromagnétique 10) le mouvement axial et le mouve- ment de rotation du foret et d'appliquer la pression nécessaire pour l'action de perçage Le cylindre et/ou le dipole sont percés de façon appropriée en 21 pour permettre le passage des gaz de fission Sur la section supérieure du foret 11 est fixé solidement un autre cylindre 7 qui est un dipole magnétique permettant, grâce à l'action motrice du champ électromagnétique 16, la rotation axiale du foret 11, l'action de perçage néces- saire étant ainsi obtenue De plus, ledit second cylindre 7 est percé en 8 pour permettre le passage des gaz de fission La section d'extrémité supérieure du foret est filetée de façon appropriée en 6 et, conjointement avec les actions combinées des champs électromagnétiques 10 et 16 constitue le système pour bloquer le foret une fois que le perçage est terminé, le foret étant vissé dans le trou taraudé 24 formé dans le bouchon supérieur 22. Le système de perçage selon la présente invention peut être choisi parmi ceux du type vibratoire, du type rotatif, du type à dilatation, du type à percussion ou parmi une combinai- son de ces types et également du type à percussion avec des soufflets métalliques étanches sur lesquels on agit à partir de l'extérieur. La partie supérieure de la tête de mesure est l'enve- loppe étanche qui loge la jauge 3 de pression Le cylindre 23 est soudé au cylindre 20 à l'endroit 4 La jauge de pression consiste, de préférence, en un mince soufflet métallique 3 élastique dans le sens axial et fermé à ses deux extrémités. L'une ou l'autre de ces extrémités fait partie intégrante du bouchon 22, ce dernier étant également percé pour permettre le passage des gaz tandis que l'autre extrémité peut se déplacer librement À cette dernière est fixé un noyau 2, qui est la section mobile (par exemple un"ferroxcube") d'un transformateur différentiel 15 Un tube 1 à paroi très mince formant un joint étanche avec le cylindre 23 contient le noyau 2 et le sépare de la section électrique du transformateur différentiel Lors- que la pression à l'intérieur du cylindre 23 augmente, le soufflet métallique 3 diminue de longueur et tire le noyau 2. Ce déplacement est détecté précisément par le déséquilibre du transformateur différentiel qui, grâce à un étalonnage appro- prié, donne directement l'amplitude de la pression Le tube t a deux fonctions distinctes, à savoir: la première fonction qui consiste k permettre l'étalonnage du transformateur diffé- rentiel par introduction à travers la position 1 d'un gaz ayant une pression connue, et la seconde fonction (une fois que l'étalonnage a été effectué) qui consiste à permettre la pré- sence à l'intérieur de la tête d'un environnement atmosphérique voulu (vide ou toute atmosphère réglée appropriée) Une fois que les conditions voulues ont été obtenues, le tube 1 est hermétiquement fermé par soudage par points de sa section supérieure. Les diamètres des sections supérieure et inférieure de la tête de mesure peuvent-être différents l'un de l'autre, le long de la hauteur de cette dernière, en conformité avec les conditions expérimentales particulières. À titre d'exemple non limitatif, la figure unique du dessin annexé montre un mode de réalisation d'une tète de mesure préférée, qui est constituée par un bouchon 19, un premier bottier inférieur 20 et par le bouchon 22 comportant des ouvertures 5 qui raccordent l'espace intérieur de la tête logeant le système de perçage à la chambre de mesure de pression, un second bottier supérieur 23 glissé dans le premier bottier et soudé à ce dernier par un sondage 4 par points, ce dernier bottier ayant un diamètre plus petit que celui du bottier mentionné en premier Toutes les autres références numériques désignent les mêmes pièces que celles mentionnées ci-avant. Une caractéristique spécifique de la tête de mesure selon la présente invention réside dans le fait que cette tête peut être assemblée, vérifiée et étalonnée dans un laboratoire froid avant d'être soudée à la barre de combustible On effectue l'essai en introduisant un gaz inerte, de préférence de l'hé- lium, à l'endroit 1 du dessin On a donc la possibilité de rechercher des fuites possibles à l'aide d'un spectromètre de masse pour l'hélium de manière que l'on soit sûr de l'étanchéité. Une fois que la tête de mesure a été ainsi réalisée, essayée et étalonnée, on introduit la tête en question dans une cellule chaude spéciale autorisée dans laquelle on a déjà placé la barre de combustible nucléaire irradiée (de ce fait extrèment active) choisie préalablement et provenant d'un réacteur d'essai ou d'un réacteur de puissance suivant le cas Ainsi, on peut procéder à l'application appropriée de l'instrument de mesure à la barre par la séquence suivante d'opération s a) introduction dans une cellule chaude de la barre de combus- tible nucléaire ayant atteint un degré d'irradiation élevé; b) aplanissement de l'un ou l'autre bouchon de la barre; c) perçage du trou borgne de centrage seulement à travers une partie préchoisie du bouchon de la barre; d) fixation de la barre à la tête de mesure; e) soudage conjoint de la barre et de la tête de mesure j f) montage d'un ou de plusieurs, en particulier deux, champs électromagnétiques extérieurs de- manière à rendre possible les opérations de perçageet préparation des instruments destinés à mesurer la pression à l'intérieur de la tête de mesure; g) perçage simultané de la base de la tête et du bouchon de la barre; et h) extraction du foret et son blocage de manière à laisser libre le trou percé. Selon le procédé de la présente invention, le perçage simultané de la paroi inférieure de la tête et du bouchon de la barre a lieu par rotation et déplacement vers l'avant d'un foret sous l'action de champs électromagnétiques appliqués extérieurement L'avance axiale du foret peut être soit continue soit accompagnée d'une vibration axiale concourante. Selon une variante de la présente invention, le perçage simultané de la paroi inférieure de la tête et du bouchon de la barre a lieu par rotation de la barre en même temps que du bou- chon intégré, tandis qu'un champ magnétique extérieur bloque le foret dans une position fixe, le trou étant obtenu par combi- naison du mouvement de rotation avec un mouvement d'avance axial de la barre. La barre ainsi équipée d'un instrument de mesure est alors prote à être introduite de nouveau dans un réacteur d'essai pour ftre soumise soit à une nouvelle phase d'irra- diation, soit à une phase de production d'énergie Le procédé d'assemblage selon la présente invention peut être mis en oeuvre avec les pièces constitutives de la tète dans l'ordre inverse ou avec une configuration autre que celle décrite ici et représentée sur le dessin. La tète de mesure selon la présente invention peut être utilisée pour des barres de combustible nucléaire qui ont atteint des degrés d'irradiation faible, moyen et élevé et provenant de réacteurs nucléaires de puissance (BWR, PM, réacteurs rapides, CANDU et autres), ou de réacteurs nucléaires de recherche* La tête de mesure telle que décrite ci-dessus selon la j O présente invention peut être équipée de plusieurs instruments de mesure différents, tels que des extensomètres, des instruments de mesure de déplacement, etc. La tête de mesure selon la présente invention trouve une application non seulement pour les mesures de dégagement de gaz de fission à des lins de recherche, mais aussi dans les plans et programmes de surveillance de combustible adoptés pour diriger les réacteurs de puissance O Par surveillance de combustible, on entend tous les programmes qui sont appliqués pendant le Lonctionnement d'une centrale électrique dans les périodes au cours desquelles la centrale n'est pas en service et qui servent pour évaluer les conditions du combustible en rapport avec les facteurs de sécurité vans un tel cas, pendant l'arrêt périodique normal de la centrale électrique (ou immé- diatement après qu'un accident a eu lieu ou que le fonctionne- ment est irrégulier), il est possible d'enlever, conjointement avec les éléments de surveillance de combustible, une barre segmentée (introduite exprès dans le réacteur concerné) ou une barre complète auxquelles la tète de mesure en question peut être appliquée La barre avec la tète de mesure qui y est montée, non seulement donne immédiatement la valeur de la pression des gaz qui y sont libérés intérieurement, mais peut aussi être transférée dans un réacteur prévu spécialement et y être soumise à un essai de production d'énergie de manière à évaluer la valeur de sa probabilité de rupture et, de ce fait, à obtenir une indication de sa capacité à rester intacte dans le cas d'un accident. Les phases technologiques décrites ci-dessus peuvent aussi etre appliquées à des installations chimiques présentant un certain degré de danger, comme par exemple celles dans les- quelles sont traités des gaz explosifs et inflammablesou celles dans lesquelles sont manipulés des liquides toxiques ainsi que dans des circonstances analogues, dans le cas o on désire introduire pendant le fonctionnement de l'installation soit un nouvel instrument de mesure ou un robinet d'échantillonnage éventuel, ou bien chaque fois que l'on souhaite connaître certains paramètres qui n'ont pas été prévus lors de la conception, ou qu'il est désirable de connaître dans le cas d'un mauvais fonctionnement de l'installations REVENDICATIONS 1 Tête contenant un instrument de mesure devant être accouplé à des barres de combustible nucléaire ayant atteint un degré élevé d'irradiation, caractérisée par le fait qu'elle est constituée par un bottier ( 20) dont le diamètre peut être soit constant soit variable le long de sa hauteur et qui est fermé à ses deux extrémités, et qu'elle est munie dans sa section inférieure d'un foret ( 11) et de moyens ( 9, 10, 16) qui permettent la rotation et/ou le déplacement axial dudit - foret, ainsi que d'un système ( 6, 24) pour arrêter le foret ( 11) lorsqu'il a déjà percé le trou dans le bouchon de la barre à laquelle il a été appliqué, cela de manière à laisser libre le trou percé, ladite tête comportant dans sa section supérieure un instrument ( 3) qui mesure les variations de la pression prenant naissance dans le gaz de fission qui pénètre dans ladite tête de mesure et qui arrive de l'intérieur de la barre de combustible nucléaire. 2 Tête contenant un instrument de mesure suivant la revendication l, caractérisée par le fait que les moyens qui provoquent la rotation et/ou l'avance du foret sont, respective- ment, un cylindre de fer et/ou un dipole magnétique ( 7) intégrés audit âret et entraînés respectivement par un champ électromagné- tique ( 10) et/ou un champ électromagnétique ( 16). 3 Tête contenant un instrument de mesure suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que la fermeture dans la section inférieure est un bouchon ( 19) comportant facultati- vement une saillie de forme cylindrique que l'on introduit dans un évidement ménagé antérieurement dans le bouchon de la barre. 4 Tête contenant un instrument de mesure suivant la. revendication 3, caractérisée par le fait que le bouchon ( 19) est percé intérieurement (trou borgne), ledit trou assurant le guidage pour l'avance et la rotation du foret ( 11). Tête contenant un instrument de mesure suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que le foret est fixé rigidement au cylindre ( 9) de fer doux et/ou au dipole magnétique ( 7) et que le trou central de ces éléments est occupé par la queue dudit foret et a un diamètre légèrement plus faible que le diamètre intérieur du bottier ( 20). 6 Tête contenant un instrument de mesure selon les revendications 2 ou 5, caractérisêe-par le fait que le cylindre métallique ou le dipole sont percés facultativement. 7 Tète contenant un instrument de mesure suivant la revendication 1, caractérisée par le fait qu'un trou taraudé ( 24) formé dans le bouchon supérieur ( 22) permet de visser et de fixer la section d'extrémité supérieure du foret ( 6) qui est fileté de façon appropriée. 8 Tête contenant un instrument de mesure selon les revendications 1 ou 7, caractérisée par le fait qu'au voisinage du système qui bloque le foret, des ouvertures ( 5) sont ména- gées de manière b établir une communication entre le comparti- ment de ladite tête qui loge le foret et la chambre dans laquelle la pression doit être mesurée. 9 Tête contenant un instrument de mesure selon la revendication 1, caractérisée par le fait que l'instrument pour mesurer la pression est de préférence constitué par un soufflet métallique élastique dans le sens axial et fermé à ses deux extrémités, l'une ou l'autre de ces extrémités faisant corps avec le bouchon ( 22) tandis que l'extrémité opposée peut se déplacer librement, un noyau ( 2) qui constitue la section mobile d'un transformateur différentiel ( 15) étant fixé à cette extrémités Tète contenant un instrument de mesure selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'à son extrémité supérieure est disposé un petit tube ( 1) qui sert au logement du noyau permettant l'étalonnage d'un transducteur différentiel et à la présence à l'intérieur de ladite t 4 te-de l'atmosphbre désirée (vide ou une atmosphère controlée). 11 Tête contenant un instrument de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle peut être utilisée pour des barres de combustible il nucléaire qui ont atteint des degrés d'irradiation faible, moyen et élevé et provenant de réacteurs de puissance (CR, i WR, réacteurs rapides, CANDU et autres) ou de réacteurs de recherche. 12 e Tête contenant un instrument de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle peut &tre associée à différents types d'instruments de mesure tels que des extensomètres, des ins- truments de mesure de déplacement ou autres instruments similaires. 13, 'úéte contenant un instrument de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle est utilisée dans les procédés de sur- veillance de combustible pour un fonctionnement s r de réacteurs nucléaires de puissance. 14 Tète contenant un instrument de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle est utilisée dans des installations chimiques industrielles présentant un coefficient élevé de danger. Procédé pour appliquer un instrument de mesure à la tète de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il consiste: a) à introduire la barre de combustible nucléaire présentant un degré d'irradiation élevé dans une cellule chaude; b) à aplanir l'un ou l'autre bouchon de la barre; c) à percer un trou borgne de centrage uniquement dans une partie préalablement choisie du bouchon de la barre; d) a fixer la barre à la tète de mesure; e) à souder l'une à l'autre la barre et la tête de mesure; f) à appliquer un ou deux, particulièrement deux, champs électromagnétiques extérieurs de manière à permettre les opérations de forage et à préparer les instruments pour mesurer la pression à l'intérieur de la tète de mesure; g) à percer simultanément la paroi inférieure de la tète et 12 - le bouchon de la barre; et h) à rappeler le foret et à le bloquer de manière à laisser libre le trou percé O 16 Procédé suivant la revendication 15, caractérisé par le fait que le perçage simultané de la paroi inférieure de la tète et du bouchon de la barre est effectué par rotation et avance d'un foret sous l'action des champs électromagnétiques extérieurs 17 Procédé suivant la revendication 16, caractérisé par le fait que l'avance axiale du foret peut être soit continue soit avec une vibration dans la direction axiale. 18 Procédé suivant la revendication 15, caractérisé par le fait que le perçage simultané de la paroi inférieure de la tête et du bouchon de la barre est effectué par rotation de la barre dont fait partie intégrante le bouchon tandis qu'un champ magnétique extérieur bloque le foret dans une position fixe, le trou étant formé par combinaison du mouvement de rotation et d'une avance axiale de la barreo 19 Procédé suivant la revendication 18, caractérisé par le fait que l'avance axiale de la barre peut être soit continue soit avec une vibration dans la direction axiale.