Brevet FR2529325A1 — publié le 19831230

L'invention concerne un dispositif pour me- surer le niveau d'un liquide contenu dans une encein- te Elle s'applique en particulier à la mesure du ni- veau de l'eau liquide contenue dans le pressuriseur d'un réacteur nucléaire à eau sous pression (réac- teur PWR). Dans les réacteurs nucléaires dur type-PWR, le maintien d'une pression élevée dans le circuit pri- maire est assuré par un pressuriseur constitué par une enceinte fermée dans laquelle on maintient la pression du circuit primaire par équilibre entre la phase li- quide et la phase gazeuse de l'eau. Il existe dans l'état de la technique un grand nombre de dispositifs permettant de mesurer le niveau de la phase liquide dans un pressuriseur, comme par exemple des dispositifs de mesure par différence de pression Mais ces dispositifs connus posent des problèmes de représentativité (dérives, hystérésis, recalages) En outre, la transition entre la phase li- quide et la phase vapeur n'est pas toujours franche. Dans certaines situations, il existe une zone intermé- diaire diphasique, comportant des bulles de vapeur dans l'eau liquide Un dispositif par différence de pression ne permet pas de déceler une telle situation. C'est pourquoi on a cherché à réaliser des dispositifs de mesure de niveau basés sur les variations d'absorp- tion d'un rayonnement lorsque ce rayonnement traverse des milieux de différentes natures Ainsi, on connaît des dispositifs de mesure du niveau d'eau dans un pressuriseur au moyen d'une ou plusieurs sources de rayonnement disposées à proximité de la paroi de l'en- ceinte et un ou plusieurs détecteurs de rayonnement recevant le rayonnement ayant traversé l'enceinte La mesure du signal reçu est ensuite utilisée pour dédui- re le niveau de la surface du liquide et/ou la densité locale du mélange diphasique. A titre d'exemple, la demande de brevet français N O 79 22218 déposée le 5 septembre 1979 au nom du Commissariat à l'Energie-Atomique pour: "Procédé et dispositif de mesure du niveau d'un liquide dans une enceintel décrit un dispositif de ce type dans lequel on compare le résultat des mesures à une bibliothèque de courbes préétablies dans le cas des différentes configurations diphasiques possibles. Cependant, ce dispositif présente l'incon- vénient de ne pas permettre une mesure directe et ra- pide, puisqu'il exige la comparaison de cartes axiales de mesure à une bibliothèque de courbes préétablies. En outre, il nécessite une source de rayonnement im- portante, de l'ordre de 1000 Ci, ce qui pose des pro- blèmes de radioprotection. Enfin, pour distinguer le rayonnement de la source de celui de l'eau activée et de celui des dé- pôts actifs apparaissant sur les parois, il faut pré- voir un détecteur supplémentaire placé de telle façon qu'il ne soit pas soumis au rayonnement des sources, ce qui permet de corriger dans le taux de comptage total la partie qui est due à l'activité de l'eau et des dépôts. L'invention concerne un dispositif de mesu- re du niveau d'eau dans une enceinte applicable dans le cas d'une enceinte radioactive, qui remédie à ces inconvénients par le traitement des signaux reçus par les détecteurs de rayonnement. De manière plus précise, le dispositif de mesure de l'invention comprend un ensemble, ledit en- semble étant composé d'une source de rayonnement dis- posée à proximité de la paroi de l'enceinte, et de n détecteurs de rayonnement, séparés de la source de rayonnement par un trajet traversant l'enceinte, et situés à des niveaux différents sur une même vertica- le, chaque détecteur di délivrant après amplification un signal i i proportionnel à l'intensité du rayonne- ment reçu, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de traitement des signaux délivrés par les détecteurs, ces moyens étant constitués par n-l circuits diviseurs, les détecteurs di, di+, étant reliés deux à deux à un circuit diviseur qui effectue le quotient i/ii+, le niveau étant alors situé dans l'intervalle entre les détecteurs di et di+, pour le- quel le quotient l Li/li+l est maximal. On obtient ainsi n-l signaux On peut prou- ver que l'un des signaux est nettement plus grand que les autres et que le pic obtenu caractérise le niveau d'eau dans l'enceinte du pressuriseur De façon plus précise, le niveau est situé entre les deux détecteurs de rayonnement pour lesquels on a obtenu la valeur de pic. Par ailleurs, les signaux obtenus sont indé pendantsde l'intensité de la source de rayonnement, ce qui permet de ne faire aucune mesure de celle-ci et de n'être pas influencé par les variations dans le temps de cette source ou des absorptions du rayonnement qu'elle émet. La mesure du niveau est ainsi obtenue direc- tement, sans qu'il soit nécessaire de comparer les me- sures des capteurs à des courbes préétablies, et sans nécessiter l'utilisation d'un capteur supplémentaire pour tenir compte-de l'activité de l'eau. De plus, la mesure est obtenue de façon quasi instantanée, ce qui permet de suivre les varia- tions de niveau en temps réel Selon un mode de réali- sation préférentiel, le dispositif de l'invention com- porte n-2 circuits soustracteurs, les signaux qit Viol issus de deux circuits diviseurs étant introduits dans un circuit soustracteur qui effectue la différence qi-qi+l' les limites haute et basse de la couche di- phasique étant alors situées dans les deux intervalles entre les détecteurs di, di+, pour lesquels les si- gnaux si présentent deux extrêmesopposées. De préférence, on interpose entre la paroi de l'enceinte et chacun desdits détecteurs de rayonne- ment un dispositif de collimation du rayonnement ayant traversé l'enceinte La fonction de ce dispositif de collimation eqt de réduire la contribution du rayonne- ment parasite provenant de l'eau activée et des pro- duits de corrosion radioactifs déposés sur les parois. L'utilisation de dispositifs de collimation permet d'augmenter l'amplitude des pics observés et par con- séquent de réduire l'intensité de la source de rayon- nement. Enfin, dans le cas o la hauteur de l'en- ceinte est importante, on peut prévoir plusieurs dis- positifs de mesure superposés, ces dispositifs étant orientés selon des plans sécants et positionnés en hauteur de manière à obtenir un recouvrement partiel des zones surveillées par chacun d'eux Dans ce cas, la présence d'un dispositif de collimation du rayonne- ment reçu par les détecteurs est indispensable. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de la description qui suit, donnée en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 représente une vue schématique en coupe d'un pressuriseur de réacteur PWR équipé d'un dispo- sitif de mesure du niveau de l'eau conforme à l'in- vention; la figure 2 est une courbe des signaux issus des diviseurs faisant partie du dispositif de la figu- re 1; = la figure 3 est une courbe des signaux issus des soustracteurs faisant partie du dispositif de la fi- gure 1; les figures 4 et 5 représentent une vue en coupe longitudinale et une vue de bout d'un dispositif de collimation du rayonnement reçu par les détecteurs; les figures 6 et 7 représentent schématiquement une vue en coupe longitudinale et en section transversa- le d'un pressuriseur équipé d'un dispositif de mesu- re du niveau de l'eau adapté au cas d'une enceinte de grande hauteur % On a représenté sur la figure 1 une vue schématique en coupe d'un pressuriseur de réacteur PWR équipé d'un dispositif de mesure du niveau de l'eau conforme à la présente invention. Le pressuriseur 1 se présente comme un cy- lindre vertical de 2 m environ de diamètre et de 12 m environ de hauteur A l'intérieur, l'eau et la vapeur se trouvent en équilibre thermodynamique à une température égale à la température de saturation cor- respondant à une pression nominale du circuit primai- re Le rôle du pressuriseur est de maintenir cette pression sensiblement constante lors des transitoires de charge Ceci s'effectue par des systèmes de chauf- fage ou de refroidissement On augmente la pression en vaporisant l'eau, on la réduit en condensant la va- peur. Le dispositif de l'invention a précisément pour objet un dispositif -de mesure du niveau d'eau dans le pressuriseur 1, qui permet d'obtenir une mesu- re instantanée et de suivre les variations du ni- veau 8. Ce dispositif comporte une source S disposée à proximité de la paroi 2 du pressuriseur, et à l'ex- térieur de celle-ci La source S est disposée à l'in- térieur d'un conteneur en plomb 9 qui protège l'envi- ronnement extérieur contre le rayonnement émis La source S est par exemple une source y d'une intensité de 200 Ci. Egalement à l'extérieur de la paroi 2, et diamétralement opposés à la source S, on trouve N dé- tecteurs de rayonnement repérés dl à dn Les détec- teurs sont situés sur une même génératrice verticale, à égale distance l'un de l'autre Dans l'exemple de réalisation décrit, il y a dix-huit capteurs situés à cm l'un de l'autre Le dispositif permet donc de surveiller le niveau du liquide 8 sur une hauteur de 3,4 m Les détecteurs sont numérotés à partir de celui qui est situé le plus proche de la source S De préfé- rence, la source S est située à 50 cm au-dessus du détecteur le plus élevé, c'est-à-dire le détecteur dl, et l'angle moyen du faisceau avec le plan horizontal est d'une quarantaine de degrés Ces conditions per- mettent d'optimiser le signal utile. La source S et les N détecteurs qui lui sont associés forment l'ensemble E. Chaque détecteur di est relié à un amplifi- cateur a 1 qui amplifie les signaux reçus par ce détec- teur Les gains des amplificateurs ai sont sensible- ment égaux lorsque les détecteurs sont équidistants i ces derniers pourraient ne pas être équidistants; dans ce cas, une modification relative des différents gains permettrait de reconstituer le fonctionnement correct du dispositif Après amplification, ces si- gnaux sont envoyés dans un circuit diviseur ei Le circuit diviseur ei effectue le quotient du signal provenant du détecteur di par le signal provenant du détecteur d i+lî Le quotient qi est dirigé sur l'opéra- teur 16 qui détermine l'indice du détecteur correspon- dant à la plus grande valeur du quotient qi Ensuite, l'opérateur 16 visualise cette information pour l'uti- lisateur. L'opérateur 16 peut comporter un circuit de détermination de maximum, par exemple un détecteur de maximum, ou une série de circuits de comparaison à un seuil, associés chacun à un circuit diviseur ei, et un dispositif de visualisation, par exemple une série de voyants lumineux dont l'un est obturé pour repérer le niveau, sous la commande du circuit de détermination de maximum Dans une version simplifiée, chaque cir- cuit diviseur ei est associé à un appareil de mesure et l'utilisateur détermine lui-même à l'oeil le maxi- mum du signal. La rapidité de réponse du dispositif est de quelques dizaines de microsecondes Elle permet de suivre instantanément les variations du niveau d'eau. Par ailleurs, on remarque qu'il n'est pas nécessaire de prévoir un dispositif de collimation en- tre la source S et chacun des détecteurs de rayonne- ment. On a représenté sur la figure 2 une courbe donnant l'amplitude 18 des quotients q 1 à q 17 émis par chacun des circuits diviseurs En effet, il y a dix- huit détecteurs de rayonnement dl à d 18, mais il y a seulement dix-sept circuits diviseurs correspondant à chacun des dix-sept segments de 20 cm en lesquels la hauteur à surveiller, qui est de 3,40 m, est segmen- tée. Comme on peut le constater sur la figure 2, le signal d'amplitude maximum correspond au circuit diviseur eil, Par conséquent, le niveau du liquide se trouve entre le détecteur d 10 et le détecteur d l. De préférence, le dispositif de l'invention comporte n-2 circuits soustracteurs repérés S à sn-2. Les quotients q 1 à q issus des n-l diviseurs e à en-l sont soustraits deux à deux On effectue ainsi la différence qi-qi+l=ti Chacune de ces différences ti est introduite dans un opérateur 24 analogue à l'opé- rateur 16. On a représenté sur la figure 3 l'amplitude 26 des signaux ti en fonction de la distance verticale Comme on peut le constater, les signaux ti présen- tent deux pics opposés dont la détection permet la localisation de la couche diphasique La zone 28 cor- respond à l'eau liquide, la zone 30 à la couche dipha- sique constituée à sa partie inférieure par des bulles de vapeur présentes dans l'eau et à sa partie supé- rieure par des gouttelettes d'eau dans la vapeur La zone 32 représente la vapeur. Afin d'augmenter la sensibilité du disposi- tif de mesure qui vient d'être décrit, on peut, bien que cela ne soit pas indispensable, interposer un dis- positif de collimation entre la source S et chacun des détecteurs di de rayonnement La présence d'un dispo- sitif de collimation permet une meilleure discrimina- tion du rayonnement provenant de l'eau activée et des dépôts radioactifs sur les parois 2 de l'enceinte Les- pics représentés sur les figures 2 et 3 sont ainsi plus accusés. On a représenté sur les figures 4 et 5 un dispositif de collimation qui peut être utilisé avec l'invention La figure 2 est une section transversale à travers le pressuriseur 1 passant par la source S et un collimateur 34 Le blindage de plomb 33 assure la protection biologique, mais comme on peut le voir sur la figure 1, dans le sens vertical, l'angle d'ouvertu- re est suffisamment ouvert pour que le rayonnement émis par la source atteigne chacun des détecteurs et la source est peu éloignée de la paroi du pressuri- seur Aucune collimation n'est nécessaire dans le sens horizontal contrairement au cas de la demande de bre- vet français citée en introduction, ce qui permet de réduire l'encombrement du blindage. Disposé sur un même diamètre du pressuriseur 1, on trouve le détecteur di Ce détecteur peut être un scintillateur à iodure de sodium Il est logé dans un blindage 36 Entre le détecteur di et la paroi 2, on trouve un collimateur 38 formé de plaques métalli- ques parallèles aux rayonnements incidents, c'est-à- dire dirigé vers la source S et dont la section peut être par exemple en forme de quadrillage Ce quadril- lage est constitué par un ensemble de t 8 les métalli- ques, comme on peut le voir sur la figure 5 Le pas des tôles est par exemple de 1 cm mais la longueur du col- limateur 38 n'a nullement besoin d'être aussi impor- tante que dans le cas de la demande de brevet français n 79 22218 Elle peut être par exemple de 50 cm, ce qui permet de réduire l'encombrement du dispositif. Lorsque la hauteur sur laquelle on désire surveiller les variations du niveau est importante, on peut prévoir plusieurs dispositifs senblables à celui qui a été décrit en référence aux figures 1 à 5, su- perposés l'un au-dessus de l'autre, comme on l'a sché- matisé sur les figures 6 et 7 La figure 6 représente schématiquement une vue en coupe longitudinale d'un pressuriseur 1 comportant trois ensembles E 1, E 2, E 3 superposés La figure 7 est une coupe transversale du pressuriseur 1 qui montre que chacun des ensembles E 1 à E 3 est disposé dans un plan diamétral sécant Cette disposition a pour but d'éviter que le rayonnement émis par une source, par exemple la source Sl, n'at- teigne les détecteurs de rayonnement d'un autre ensem- ble. Sur la figure 7, les plans qui contiennent les ensembles E 1 à E 3 sont situés à 1200 l'un de l'au- tre Toutefois, cette disposition est seulement préfé- rentielle L'angle des plans n'influe pas sur la pré- cision des mesures à partir du moment o ces plans sont sécants. Les signaux émis par les détecteurs de cha- cun des ensembles E 1 à E 3 sont traités par des moyens de traitement T 1 à T 3 des signaux émis identiques à ceux qui ont été décrits en référence aux figures 1 à 3 Les signaux issus de chaque détecteur di sont am- plifiés par un circuit amplificateur ai Les signaux iii sont introduits deux à deux dans un circuit divi- seur ei qui effectue le quotient l i/li+ Ces quo- tients qi sont introduits dans un opérateur 16 qui extrait le signal le plus élevé correspondant au ni- veau de l'eau dans le pressuriseur Par ailleurs, ces moyens de traitement du signal sont de préférence com- plétés par n-2 circuits soustracteurs qui effectuent les différences ti=qi-qi+ 1 Ces différences sont in- troduites dans un opérateur 24 qui -extrait deux va- leurs de pics opposés qui délimitent une zone corres- pondant à la couche diphasique. Dans l'exemple de réalisation décrit, cha- que ensemble E comporte dix-huit capteurs de rayonne- ment Afin de permettre de suivre sans discontinuité les variations du niveau, il y a un recouvrement par- tiel des zones surveillées par les ensembles E 1 et E 2 d'une part, et par les ensembles E 2 et E 3 d'autre part La zone de recouvrement peut comprendre deux dé- tecteurs, comme représenté sur la figure 6, ou éven- tuellement trois Les détecteurs dn-1 et dn de l'en- semble E 1 sont situés aux mêmes cotes verticales que les détecteurs d 1 et d 2 de l'ensemble E 2 Cependant, leur position dans un plan horizontal est différente, comme le montre la figure 7 Il en va de même dans le cas de la zone de recouvrement des ensembles E 2 et E 3. Les détecteurs dn 1 et dn de l'ensemble E 2 sont situés aux mêmes cotes verticales que les détecteurs dl et d de l'ensemble E 3. Ce recouvrement permet de ne pas avoir à tenir compte des différences d'intensité entre les sources des différents ensembles; de telles différen- il ces d'intensité sont en effet susceptibles dans le dispositif de l'invention, de créer des pics parasites d'importance comparable avec les pics utiles. Il faut remarquer que dans le cas du dispo- sitif décrit en référence aux figures 6 et 7, la pré- sence de dispositifs de collimation, comme par exemple celui qui a été décrit en référence aux figures 4 et , est indispensable En effet, il est nécessaire que les détecteurs de rayonnement d'un ensemble ne soient pas influencés par la source de rayonnement d'un autre ensemble En conséquence, la présence de dispositifs de collimation qui était seulement une disposition préférentielle dans le cas du mode de réalisation de la figure 1 devient indispensable. Dans toute la description précédente, on a indiqué que les détecteurs de rayonnement sont diamé- tralement opposés à la source de rayonnement à laquel- le ils sont associés; cette disposition a été préfé- rée car elle minimise l'effet de l'absorption, par les parois, du rayonnement des sources, et qu'elle réalise au mieux le moyennage des perturbations de niveau; elle est particulièrement recommandée dans le cas des pressuriseurs des réacteurs PWR, qui, devant supporter des pressions élevées, présentent une paroi épaisse, et dans lesquels la transition entre phase liquide et phase vapeur n'est pas franche; toute autre disposi- tion est toutefois possible et ne remet pas en cause le fonctionnement de l'invention. REVENDICATIONS 1 Dispositif de mesure du niveau d'un li- quide dans une enceinte, le dispositif comprenant un ensemble (E), ledit ensemble étant composé d'une sour- ce de rayonnement (S) disposée à proximité de la paroi de l'enceinte, et de N détecteurs de rayonnement sé- parés de la source de rayonnement par un trajet tra- versant l'enceinte et situés à des niveaux différents sur une même verticale, chaque détecteur (di) déli- vrant après amplification un signal (>i) proportionnel à l'intensité du rayonnement regu, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (T) de traitement des si- gnaux délivrés par les détecteurs (di), ces moyens (T) étant constitués par n-l circuits diviseurs (ei), les détecteurs (di, di+l) étant reliés deux à deux à un circuit diviseur (ei) qui effectue le quotient li/li+l, le niveau étant alors situé dans l'intervalle entre les détecteurs di et di+, pour lesquels le quo- tient i/i+l est maximal. 2 Dispositif selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce qu'il comporte n-2 circuits soustrac- teurs, les signaux (qi' qi+l) issus de deux circuits diviseurs (ei, el+l) étant introduits dans un circuit soustracteur (si) qui effectue la différence (qi-qi+l), les limites haute et basse de la zone di- phasique étant alors situées dans les deux intervalles entre les détecteurs (di, di+l) pour lesquels les si- gnaux (si) présentent deux extrêrmes opposées. 3 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 ou 2, dans lequel les détecteurs de rayonnement sont diamétralement opposés à la source de rayonnement - 4 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 3, caractérisé en ce que les détec- teurs de rayonnement sont disposés à distance égale les uns des autres. Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 4, dans lequel chaque détecteur de rayonnement (d 1 à dn) comporte un dispositif de colli- mation ( 38) orienté vers la source de rayonnement (S). 6 Dispositif de mesure caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs dispositifs de mesure selon la revendication 5, les ensembles (Ei) formés par une source de rayonnement (Si) et par les dét ecteurs de rayonnement (dl à dn) associés étant orientés selon des plans sécants, et positionnés en hauteur de maniè- re à obtenir un recouvrement partiel des zones sur- veillées par chaque dispositif. 7 Dispositif selon la revendication 6, ca- ractérisé en ce que la zone de recouvrement comprend deux ou trois détecteurs (di) situés à une même cote horizontale. 8 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 7, caractérisé en ce que, dans un ensemble (E), la source de rayonnement est disposée à un niveau supérieur à celui des détecteurs. 9 Dispositif selon la revendication 8, ca- ractérisé en ce que l'angle moyen du trajet source- détecteur d'un ensemble (E) est de 400 par rapport au plan horizontal.