Brevet FR2523723A1 — publié le 19830923

Procédé de détection d'une baisse de pression interne de gaz dans les produits du type récipient I1 existe de nombreuses sortes de produits du type récipient qui doivent contenir des gaz intérieurs sous pression et être fermés de façon absolument étanche, et il est habituellement nécessaire de contrôler, sans détruire la fermeture étanche, si la pression interne est maintenue au niveau prescrit. La fréquence naturelle de vibration à l'intérieur d'un récipient rempli d'un gaz sous pression dépend de la pression du gaz, si bien qu'il est possible de juger si la pression est normale ou non en mesurant de l'extérieur cette fréquence naturelle. Dans le cas des barres de combustible nucléaire en service opérationnel, il est absolument impératif que leurs tubes de blindage soient hermétiquement fermés pour que les gaz de fission nocifs accumulés ne s'échappent pas à l'extérieur. Si la fermeture étanche d'une barre de combustible devient défectueuse pour une raison ou une autre, les gaz internes s'échappent (et il y a une baisse de pression), et cette barre est considérée comme une barre de combustible défectueuse. La présente invention a pour objet un procédé permettant un contrôle non-destructif d'une barre de combustible défectueuse par mesure de la fréquence naturelle des vibrations dans le sens de la largeur de son enveloppe. Les barres de combustible nucléaire du type à mise sous pression préalable (telles que les barres de combustible des réacteurs PWR ) sont, lors de leur fabrication, remplies d'hélium gazeux sous pression à environ 30.105 Pa. Aussi la présente invention a-t-elle également pour objet un procédé permettant de distinguer les barres de combustible "inférieures", lors du processus de contrôle de qualité. Le coeur d'un réacteur se compose d'un grand nombre ensembles à combustible, et un ensemble à combustible se compose lui-même d'un grand nombre de barres de combustible. A ltheure actuelle, la détection d'une barre de combustible défectueuse se fait de la façon suivante. Tout d'abord, on procède à une détection dans le sens de la largeur du coeur du réacteur en surveillant de façon permanente le niveau de radioactivité de l'agent de refroidissement, et si ce niveau dépasse une certaine valeur, cela indique qu'il s'est produit une défaillance dans certaines des barres de combustible du coeur du réacteur (car, si cette défaillance se produit, des produits de fission radio-actifs passent dans l'agent de refroidissement). Ensuite, après avoir arrêté le fonctionnement du réacteur, on procède à une inspection de chaque ensemble à combustible pour découvrir celui qui contient les barres de combustible défectueuses.L'ensemble à combustible contenant les barres de combustible défectueuses ne peut plus être utilisé et doit être retiré du coeur du réacteur. Un ensemble à combustible se compose de 150 à 200 barres de combustible pour un réacteur à eau sous pression (PWR), et de 30 à 70 barres de combustible pour un réacteur à eau bouillante (BWR). En général, pas plus de une ou deux des nombreuses barres de combustible d'un ensemble à combustible sont défectueuses. Si un aussi petit nombre de barres de combustibles défectueuses est décelé puis remplacé soit par de fausses barres de combustible soit par des barres de combustible neuves, on peut encore utiliser cet ensemble à combustible avec profit et économiquement. Aussi est-il très utile de disposer d'une technique permettant de localiser les barres de combustibles défectueuses dans l'ensemble à combustible. Un procédé classique type de localisation des barres de combustible défectueuses consiste à détecter la présence de l'agent de refroidissement du réacteur (l'eau) dans la barre défectueuse. Plus précisément, ce procédé est basé sur le principe de la différence de vitesse de transmission d'un faisceau ultrasonique entre une barre défectueuse et une barre non défectueuse, lorsque ce faisceau est émis d'un côté et reçu de l'autre côté de la barre en question. Dans la barre défectueuse, l'intensité de l'onde sonique est diminuée du fait de l'absorption d'énergie par une couche d'eau ou par des gouttelettes d'eau présentes sur la paroi interne du blindage, qui ont pénétré par des défauts de ce dernier (voir le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 3.945.245 et le brevet allemand P 2605962.1).Selon ce procédé, le principe de la détection n'est valable que lorsqu'une quantité décelable d'eau est supposée avoir pénétré à l'intérieur du blindage. Or si les défauts du blindage sont constitués par des fissures relativement petites, iD peuvent être facilement obturés, et la pénétration de l'eau peut ainsi être arrêtée. L'objectif de la présente invention est de procurer un procédé pour localiser des barres de combustible défectueuses dans un ensemble à combustible, d'une manière plus fiable et plus simple qu'avec le procédé classique existant. La fréquence naturelle de vibration,dans le sens de la largeur de l'enveloppe, d'une barre de combustible dépend de sa pression interne. Dans la barre de combustible, le tube de blindage de la région dite "plenum" (espace libre surmontant le combustible) forme une sorte d'enveloppe cylindrique à l'intérieur de laquelle se trouve le gaz sous pression. La présente invention a pour objet un procédé permettant de faire la distinction entre les barres défectueuses et les barres de combustible normales par mesure des différences de fréquence naturelle des tubes de blindage au niveau de leur plenum, en tirant partie du fait que la pression interne de la barre de combustible défectueuse est à coup sûr tombée à un niveau proche de celui de la pression atmosphérique. Afin de détecter les barres de combustible défectueuses dans un ensemble à combustible, on utilise une sonde comportant une paire d'éléments transducteurs, à savoir un élément excitateur et un élément récepteur , que l'on peut prévoir assez fins et petitspour pouvoir les introduire dans les espaces libres ménagés entre les barres de combustible de l'ensemble à combustible. On met cette sonde dans l'alignement de la barre de combustible à examiner, au niveau du plenum, et on mesure la fréquence naturelle du tube de blindage. Il est plus efficace d'utiliser la sonde avec des éléments transducteurs à agencement multicanaux correspondant à l'agencement des barres de l'ensemble à combustible. En faisant appel à ce procédé, il devient possible de localiser les barres de combustible défectueuses dans l'ensemble à combustible sans démonter ce dernier. Dans le cas des barres de combustible de PWR, qui sont mises sous une pression interne de 30.105pua environ avec de l'hélium gazeux lors de leur fabrication, la présente invention procure également un procédé permettant de faire la distinction entre les barres de combustible dites "inférieures", au sens de l'intégrité de la fermeture étanche, et les barres de combustible normales, lors du procédé de fabrication ou à tout autre moment où il faut vérifier que la mise sous pression est correcte, par exemple avant de charger les barres dans un réacteur. La technique selon l'invention est également applicable à la "détection des produits inférieurs" pour d'autres genres de produits industriels contenant des gaz sous pression qui doivent être fermés hermétiquement. Sur les dessins ci-joints La Figure 1 est une représentation schématique d'une sonde à tête unique permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention La Figure 2 est une représentation schématique d'une sonde à têtes multiples (dans un agencement 4 x 4 pour plus de simplicité), permettant également la mise en oeuvre du procédé selon l'invention ; Les Figures 3(a) à 3(c) représentent les modes de vibration d'une enveloppe cylindrique mince dans le sens de sa largeur La Figure 4 est un graphe représentant la relation entre la fréquence naturelle d'un tube de blindage de type nZirc-4" et la pression interne ;; Les figures 5a à5c représentent des oscillogrammes montrant les résultats de l'analyse de fréquence lorsque la fréquence naturelle du tube de blindage est mesurée conformément au procédé selon la présente invention La Figure 6 est un schéma représentant l'oscillation "par bouffées" efficace pour le dispositif de détection conforme à la présente invention, ainsi que la forme d'onde reçue correspondante ; et La Figure 7 représente un schéma de principe du procédé de détection conforme à la présente invention, dans son application à une centrale nucléaire. Dans le cas des barres de combustible à gaz sous pression, un gaz comprimé est enfermé hermétiquement dans les barres de combustible jusqu'à 30.105Pa environ,pour que les tubes de blindage ne s'écrasent pas sous l'effet de la forte pression externe de l'agent de refroidissement au cours du fonctionnement. En outre, des gaz de produits de fission, par exemple du xénon ou du krypton sont engendrés à l'intérieur des barres de combustible, ce qui contribue à augmenter la pression interne de O à 30.la (à froid) suivant les vitesses de combustion. En revanche, après que le réacteur a été arrêté et refroidi, la pression externe de la barre de combustible descend à 1 à 2.lOWa environ. Dans ces conditions, les gaz internes de la barre de combustible défectueuse s'échappent par les défauts du tube de blindage jusqu'à ce que la pression interne tombe à un niveau pratiquement égal à la pression externe.La fréquence naturelle d'une enveloppe cylindrique soumise à une pression interne peut être exprimée par l'équation suivante dans laquelle fp est la fréquence naturelle sous l'effet d'une pression interne (en Hz) n correspond au mode circonférentiel k correspond au mode axial E est le module de Young (en kg/cm2) pm est une grandeur exprimée en kg sec2/cm4 R est le rayon de l'enveloppe cylindrique (en cm) P est la pression interne (en kg/cm2) h est l'épaisseur de l'enveloppe (en cm) v est le coefficient de Poisson t est la longueur (correspondant à la longueur du plenum) (en cm) a a = (kwR)/t. L'équation ci-dessus permet de voir que la fréquence naturelle du tube de blindage devient de plus en plus grande à mesure que la pression interne augmente. Autrement dit, il est possible d'identifier la perte de pression interne en mesurant la fréquence naturelle. Si l'on applique ce principe à la détection des barres défectueuses, la partie dite plenum, dans laquelle aucune pastille de combustible ne se trouve, peut être considérée comme une enveloppe cylindrique. Dans les barres de combustible en général, la longueur Z du plenum est suffisamment plus grande que le rayon R pour que dans l'équation (1) ci-dessus a soit très petit et pour que le premier terme placé entre les accolades soit négligeable. Par conséquent, seul le mode circonférentiel doit être pris en considération. Les Figures 3(a) à 3(c) montrent les formes des ondes de vibration de ces modes circonférentiels (n = 2,'3, 4). Etant donné que les points A et B occupant des positions symétriques sur le diamètre (sur les Figures 3(a) à 3(c)) présentent une amplitude de vibration maximale pour chaque forme d'onde correspondant à n = 2 - 4, on peut utiliser un agencement de détecteur comprenant un émetteur au point A et un récepteur au point B pour chacun des modes 2-4. Un autre agencement possible consisterait à placer l'émetteur et le récepteur du même côté, disons au point A, et à les aligner axialement (Figure 1). Cet agencement est applicable à un mode quelconque sans qu'il soit nécessaire de connattre la forme de l'onde. Selon l'équation (1) et les résultats des expériences de détection de barres défectueuses qui ont été conduites selon la présente invention, le changement attendu de pression interne de la barre normale par rapport à la barre défectueuse (30 à 60.105Pa dans le cas du PWR) provoque une chute de la fréquence naturelle de l'ordre de quelques pour cent (Figures 4(a) et 4(b) et Figures 5(a) à 5(c)). Cette quantité est suffisante pour pouvoir être détectée en utilisant des dispositifs d'analyse de spectre disponibles à l'heure actuelle, si bien qu'il est possible de mettre én application pratique le dispositif de détection de barres de combustible défectueuses selon la présente invention. On procède en fait aux mesures sous l'eau afin de se protéger des radiations nocives provenant des barres de combustible. En conséquence, l'effet de l'eau qui entoure la barre de combustible doit impérativement être compensé dans l'équation(1),mais le principe fondamental de cette équation subsiste. La fréquence naturelle s'abaisse encore si l'agent de refroidissement (l'eau) pénètre dans la barre défectueuse et si une couche d'eau ou des gouttelettes d'eau se forment dans le plenum. Par conséquent, la sensibilité de la détection se trouve encore améliorée. Les éléments transducteurs (un élément excitateur et un élément récepteur) peuvent être prévus assez fins et petits pour pouvoir être introduits dans les espaces étroits ménagés entre les barres de combustible de l'ensemble à combustible. Cela permet de procéder à la détection des barres défectueuses sans avoir à démonter l'ensemble à combustible. De plus, en utilisant une sonde en forme de peigne dont l'organe de détection se compose d'un grand nombre de doigts ou de dents, il est possible de mener de manière très efficace l'opération de détection des barres défectueuses. Le procédé de détection des barres de combustible défectueuses qui a été décrit ci-dessus peut être appliqué à une barre de combustible donnée ou bien à un ensemble à combustible de la manière suivante. A l'intérieur du tube de blindage 2 et à la partie supérieure de la barre de combustible 1, un ressort 6 est placé entre le combustible nucléaire 3 et le bouchon d'extrémité supérieur 4 afin de retenir vers le bas le combustible 3, comme le montre la Figure 1. La pression interne agit sur cet espace 5 appelé plenum. Selon l'invention, il faut mesurer la fréquence naturelle du tube de blindage au niveau de ce plenum. A titre d'exemple d'éléments excitateur et récepteur, on peut mentionner les éléments vibrants piézo-électriques minces. La Figure 1 représente un agencement simple d'une sonde de mesure dans le cas où l'élément excitateur 7 et l'élément récepteur 8 sont montés sur un doigt commun 9. La Figure 2 représente l'agencement multi-canaux dans lequel on utilise, dans chaque canal, le procédé illustré sur la Figure 1. Cet agencement est utile pour la détection rapide des barres défectueuses dans l'ensemble à combustible. Des doigts multiples 9 équipés des éléments excitateurs 7 et des éléments récepteurs 8 sont montés sur un chariot 12 de façon à former une sorte de peigne, et ce chariot 12 est entrainé en avant et en arrière àllintérieur d'un guide 13, ce qui permet aux doigts 9 de s'introduire dans les espaces 11 ménagés entre les barres de combustible de l'ensemble à combustible. Un petit moteur pasà-pas et un dispositif d'engrenage permettant la transmission de la force d'entraînement à un arbre moteur 14 sont contenus dans une botte de transmission 15. La Figure 2 représente un agencement 4 x 4 uniquement à des fins d'explication, mais pour l'ensemble à combustible on utilisera un agencement beaucoup plus important, de 17 x 17 par exemple, c'est-d-dire la même construction avec 17 doigts, ce qui permet un mécanisme d'entraînement très simple d'un seul moment réciproque. L'un des procédés de mesure de la fréquence naturelle est le procédé de balayage de fréquence. Mais le procédé d'excitation"par bouffées" qui est représenté sur la Figure 6 est plus efficace. Selon ce procédé, le tube est excité par intermittence par une fréquence prédéterminée très voisine de sa fréquence naturelle. Si la forme d'onde d'excitation est telle que représentée sur la Figure 6(a), il est possible d'obtenir une forme d'onde reçue telle que celle qui est représentée sur la Figure 6(c). Dans cette forme d'onde reçue, la partie consécutive à l'arrêt de l'excitation est une vibration libre, et cette partie est prélevée par le signal de d8clegchement de la Figure 6(b) en vue d;une analyse de fréquence, ce qui permet d'obtenir la fréquence naturelle. La Figure 4(b) et les Figures 5(a) à 5(c) montrent les résultats de la mesure de la fréquence naturelle (n = 2) d'un tube de blindage "Zirc-4" (diamètre extérieur 9,5 mm, épaisseur 0,57 mm) conformément au procédé de mesure susmentionné. Sur la Figure 4(b), la ligne (A) représente les résultats des calculs conformément à l'équation (1), et la ligne (B) représente les résultats expérimentaux. Comme on peut le voir, ces deux résultats concordent. La ligne (C) représente les résultats de l'expérience conduite dans l'eau, et des oscillogrammes de cette analyse de fréquence sont représentés sur la Figure 5.Bien que la présence de l'eau environnante ait une influence sur les fréquences naturelles, l'inclinaison, c'est-à-dire les sensibilités, est la même, comme le montrent les lignes (B) et (C), ce qui donne une différence de fréquence naturelle de 300 Hz environ entre une barre défectueuse (D) et une barre non-défectueuse avec une pression de gaz interne moyenne (E). La valeur de cette différence de fréquence est assez grande pour pouvoir être décelée par un dispositif de spectrographie disponible dans le commerce, et cela représente l'efficacité et le caractère pratique du procédé de détection selon la présente invention. Un autre avantage procuré par le procédé selon l'invention est que le matériel de détection peut être réalisé sous une forme compacte. La Figure. 7 représente un agencement type du dispositif selon l'invention dans son application à la fosse de combustible usé (SFP) d'une centrale nucléaire. Il est possible de procéder à la détection des barres défectueuses alors que l'ensemble 16 est suspendu dans de l'eau. Une installation sous-marine 20 est suspendue dans l'eau par un outil de suspension 18 et est disposée de telle sorte que la sonde se trouve au niveau de la partie supérieure de la barre de combustible, là où se trouve le plenum. On fixe ensuite l'installation sous-marine à la buse supérieure 17 au moyen d'une bride 19. On effectue cette opération sur le pont roulant 22 de la fosse à combustible usé. Des instruments de mesure et de commande 21 sont placés sur le bord de la fosse à combustible usé. Etant donné que la détection des barres de conflistible défectueuses se fait à la partie supérieure de 1 'ensemble à e à combustible et au niveau du plenum superieur, il est possible de réaliser l'agencement de détection sous une forme compacte. La détection des barres de combustible défectueuses peut se faire en un bref laps de temps sans qu'il soit aucunement nécessaire de démonter l'ensemble à combustible. Le procédé selon la présente invention peut être appliqué non seulement aux barres de combustible d'un réacteur à eau légère mais aussi à celles d'un réacteur thermique avancé et d'un réacteur surrégénérateur n'utilisant pas l'eau comme agent de refroidissement (auquel le procédé classique de détection de l'eau à l'intérieur par ultrasons ne peut être appliqué). Ainsi qu'on l'a déjà décrit, il est possible de détecter la barre de combustible défectueuse en mesurant la fréquence naturelle du tube de blindage de la barre de combustible. En outre, le procédé selon l'invention peut être appliqué aux cas suivants La barre de combustible PWR est mise sous une pression de 30 ;iOSPa environ par de l'hélium gazeux que l'on introduit à l'intérieur lors de sa fabrication. Toujours selon ce procédé, il est possible de distinguer une barre de combustible "inférieure" de laquelle le gaz qui se trouvait à l'intérieur s'est échappé après la fabrication. De plus, ce procédé, c'est-à-dire ce moyen de détection d'une barre "inférieure" ne se limite pas à la barre de combustible nucléaire mais est applicable aux autres sortes de produits du type récipient qui doivent être mis sous pression interne avec des gaz et être fermés hermétiquement. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de la pression interne de produits du type récipient qui sont fabriqués en grande série et qui doivent retenir des gaz sous pression, caractérisé en ce qu'il est basé sur le principe que les fréquences naturelles de vibration de ces produits dépendent du niveau de pression qui règne à l'intérieur d'eux. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à mesurer la fréquence naturelle du tube de blindage (2) d'une barre de combustible nucléaire(l) en alignant des éléments transducteurs (7,8) à hauteur de la région du plenum (5) de la barre de combustible à examiner. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, appliqué à la localisation des barres de combustible défectueuses par mesure des différences de fréquence naturelle de leur tube de blindage, il consiste à tirer partie du fait que les gaz intérieurs des barres de combustible défectueuses s'échappent et qu'ensuite leur pression interne s'abaisse dans une mesure importante après refroidissement. 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est appliqué à la distinction entre des barres de combustible nucléaire "inférieures" du type à mise sous pression préalable ("inférieures" au sens d'une perte de pression interne) et les barres de combustible normales en vue du contrôle après fabrication. 5. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire une sonde équipée de deux éléments transducteurs, un élément excitateur(7) et un élément récepteur(8) dansles espaces ménagés entre les barres de combustible (1) d'un ensemble à combustible afin de contrôler une à une les barres de combustible, ou bien à introduire une sonde avancée comportant des éléments transducteurs (7,8,9) à agencement multi-canaux dans les espaces (ll)ménagés entre les barres de combustible(l) dans un ensemble à combustible de façon à les contrôler d'une manière plus efficace. 6. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire une sonde équipée de deux éléments transducteurs, un élément excitateur (7) et un élément récepteur(8)dans les espaces ménagés entre les barres de combustible (1) d'un ensemble à combustible de façon à contrôler les barres de combustible une à une, ou bien à introduire une sonde avancée comportant des éléments transducteurs (7,8,9) à agencement multi-canaux dans les espaces(ll) ménagés entre les barres de combustible(l)dun ensemble à combustible de façon à les contrôler d'une manière plus efficace. 7. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire une sonde équipée de deux éléments transducteurs, un élément excitateur (7) et un élément récepteur(8) dans les espaces ménagés entre les barres de combustible (1) dans un ensemble à combustible pour contrôler les barres de combustible une à une, ou bien à introduire une sonde avancée comportant des éléments transducteurs (7,8,9) à agencement multi-canaux dans les espaces (11) ménagés entre les barres de combustible d'un ensemble à combustible pour les contrôler d'une manière plus efficace.