Brevet FR2528541A1 — publié le 19831216

La présente invention a pour objet un dispo- sitif de détection de fuite dans la paroi d'échange thermique d'un générateur de vapeur chauffé au sodium. Elle trouve une application principalement dans les installations de contrôle des réacteurs à neutrons ra- pides. Dans un réacteur nucléaire à neutrons rapides le générateur de vapeur est constitué par des tubes d'acier à l'intérieur desquels circulent de l'eau et de la vapeur sous forte pression A l'extérieur des tubes circule du sodium liquide qui véhicule la chaleur déga- gée par le coeur du réacteur Les tubes constituent des parois d'échange thermique entre l'eau et le sodium. L'eau s'évapore à l'intérieur des tubes et la vapeur ainsi formée est utilisée pour entraîner des turbines. En raison de la très grande affinité chimique entre l'eau et le sodium, tout défaut d'étanchéité d'un tube doit être détecté rapidement En effet, une fuite d'eau dans le sodium peut, d'une part, évoluer d'elle- même brutalement (de quelques grammes par seconde à une centaine de grammes par seconde) créant un champ de pression important et, d'autre part, endommager grave- ment le générateur par percement des tubes voisins sous l'action d'un phénomène d'érosion-corrosion. Actuellement, deux moyens de détection de dé- faut d'étanchéité sont utilisés, notamment sur les gé- nérateurs de vapeur du réacteur SUPER-PHENIX Il s'agit de moyens de détection d'hydrogène (dans le sodium et dans l'argon) et de membranes de sécurité. Un dispositif de détection d'hydrogène mesu- re, de manière continue, la concentration d'hydrogène dans le sodium, en sortie des appareils ou dans l'argon des gaz de couverture La sensibilité est excellente puisqu'un tel dispositif peut détecter des fuites dont le débit est inférieur au gramme par seconde En revan- che, le temps de réponse est grand et peut, dans-cer- tains cas, être excessif devant le temps de percement des tubes voisins de la fuite A titre d'exemple, un détecteur d'hydrogène installé sur le réacteur SUPER- PHENIX possède un temps de réponse de l'ordre de la minute en régime nominal, pour une fuite dont le débit est voisin de 1 gramme par seconde et qui est située en haut du faisceau tubulaire de l'appareil. Les membranes de sécurité ont pour rôle d'éviter une surpression excessive à l'intérieur des générateurs de vapeur Deux causes physiques peuvent entraîner leur rupture: des ondes de pression engendrées dans l'appareil par l'apparition brutale de la fuite, la mise en oscillation de la masse de sodium entre les volumes d'argon présents dans la boucle secondai- re - L'instant de rupture d'une membrane est fonc- tion des caractéristiques des membranes et du débit de la fuite Il est estimé à partir de codes de calculs. Dans le cas d'une fuite située dans la partie haute de l'appareil et en négligeant l'influence de la régula- tion de niveau du sodium, on obtient les résultats sui- vants: pour les fuites de débit inférieur à 2 kg/s, il n'y a rupture que pour les oscillations en masse du sodium. La durée varie entre 80 secondes pour des fuites dont le débit est de l'ordre de 100 g/s et 10 secondes quand le débit atteint 1 kg/s; audessus de 2 kg/s, la rupture survient en moins de 2 secondes sous l'effet des ondes de pression. Il faut indiquer encore qu'il existe d'autres dispositifs de détection de défaut d'étanchéité de gé- nérateur de vapeur mais qui ne sont pas utilisés sur le réacteur SUPER-PHENIX Il s'agit, notamment, de dispo- sitifs de détection d'oxygène Le principe est analogue à celui des dispositifs de détection d'hydrogène: me- surer la concentration d'un des produits de la réaction eau-sodium, en l'occurrence l'oxygène, dans le flux de sodium Le principal inconvénient de ces dispositifs est encore la longueur de leur temps de réponse qui est parfois excesive devant la brièveté de l'évolution de certaines fuites et des phénomènes d'érosion-corrosion associés. La présente invention a justement pour objet un dispositif de détection qui évite ces inconvénients en ce sens que son temps de réponse est extrêmement bref Ce but est atteint, selon l'invention, par l'uti- lisation de moyens acoustiques aptes à détecter une anomalie due à la présence d'une fuite. De façon plus précise, la présente invention a pour objet un dispositif de détection de fuite dans un générateur de vapeur disposé dans un réacteur nu- cléaire à neutrons rapides, caractérisé en ce qu'il comprend des capteurs piézoélectriques disposés sur le générateur et un circuit électronique de détection d'anomalie dans le signal délivré par ces capteurs. Le principe de fonctionnement de ce disposi- tif est le suivant Les capteurs peuvent être placés sur la virole externe des générateurs de vapeur Toute fuite de vapeur d'eau à haute pression dans le sodium liquide engendre une vibration des parois du généra- teur Celle-ci se superpose aux vibrations provenant de différentes sources de bruit: écoulement du sodium, écoulement de la vapeur, mouvements d'organes mécani- ques divers, vibration d'appareils, relaxation de con- traintes métalliques Toutes ces vibrations se propa- gent à travers le sodium et les pièces métalliques jus- qu'aux parois du générateur de vapeur Les capteurs piézoélectriques délivrent un signal électrique com- plexe qui reflète l'ensemble de ces ondes Son étendue spectrale recouvre la bande audible L'onde sonore due à la fuite donne naissance à un signal caractéristique qui est détecté par le système électronique relié aux capteurs. Les expériences effectuées par le demandeur ont montré que le signal lié à l'existence d'une fuite était prépondérant dans certains domaines de fréquen- ces On limite donc en pratique l'étude du signal élec- trique à ces domaines en utilisant des filtres passe- bande La sortie de ces filtres est un signal alterna- tif dépourvu de composante continue Des moyens analo- giques en déterminent le carré moyen ou la valeur effi- cace, en fonction d'une constante d'intégration régla- ble Ces moyens délivrent ainsi un signal correspondant à l'évolution de la puissance moyenne de la vibration de la paroi du générateur de vapeur dans une bande de fréquence choisie Ce signal est ensuite échantillonné et traité par un calculateur qui détermine l'opportuni- té de déclencher une alarme. La procédure de déclenchement peut s'appuyer sur plusieurs critères: comparaison à un seuil fixe: en cas de dépassement l'alarme est déclenchée; comparaison à un seuil variable: le seuil est ajusté en fonction de certains paramètres thermo-hydrauli- ques propres à l'installation; détection de l'apparition d'un échelon dans le signal détecté, c'est-à-dire d'une variation rapide. Dans le cas de l'utilisation de plusieurs chaînes de contrôle, une procédure classique est utili- sée pour limiter le risque d'alarme intempestive Pour cela on impose une certaine cohérence entre les répon- ses de différentes chaînes de surveillance Pour être prise en compte, une présomption d'alarme doit satis- faire aux conditions suivantes: au moins deux chaînes surveillant le même appareil doivent signaler un défaut; une chaine, placée sur un autre appareil, ne doit pas présenter en même temps d'indication de défaut; les paramètres thermohydrauliques ne doivent pas pré- senter de fluctuation excessive. Les caractéristiques de l'invention apparai- tront mieux après la description qui va suivre, d'un exemple de réalisation donné à titre explicatif et nul- lement limitatif Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente une vue schématique du dispositif de l'invention; la figure 2 représente un schéma synoptique d'une variante des moyens de traitement du signal déli- vré par les capteurs; la figure 3 représente un exemple de courbe de variations de la valeur efficace du signal dans le cas de l'apparition d'une fuite; la figure 4 représente un signal lissé cor- respondant à la situation précédente; la figure 5 représente le signal obtenu en superposant au signal lissé un signal en dents de scie; la figure 6 illustre l'adéquation du signal précédent par une droite, la figure 7 représente les variations du nombre de séquences du signal en fonction du temps; la figure 8 représente la variation d'un critère fonction de ce nombre de séquences ainsi que de la longueur des première et dernière séquences, la figure 9 illustre l'architecture généra- le d'un système de contrôle selon l'invention. Sur la figure 1, un générateur de vapeur 10 2528541 - est muni d'une tige métallique 12 terminée par un accé- léromètre 14 relié à un convertisseur de charges La tige est fixée par exemple sur la virole extérieure du générateur de vapeur L'ensemble accéléromètre-conver- tisseur forme un capteur piézoélectrique qui traduit les vibrations du tube 10 en tension électrique Cette tension est amplifiée par un circuit 18 et filtré dans un circuit 20 Il fait ensuite l'objet d'un traitement dans un circuit 22 qui délivre la valeur efficace de la tension La forme du signal obtenu est représentée sur la figure 3 o le temps figure en abscisses Un circuit 24 lisse le signal obtenu pour le délivrer des aspéri- tés qu'il contient La figure 4 illustre le signal lis- sé Ce lissage peut être obtenu par échantillonnage et détermination de l'amplitude médiane de l'échantillon. Le signal lissé est ensuite traité dans un circuit de détection d'anomalie 26 C'est ce circuit qui permet de déclencher l'alarme Il peut travailler par comparaison avec un seuil fixe ou avec un seuil variable Mais, selon l'invention, ce circuit possède avantageusement la faculté de déterminer l'apparition d'un échelon dans le signal lissé, autrement dit l'apparition d'une brus- que augmentation de la valeur efficace du signal. La recherche d'un tel échelon est fondée sur les deux observations expérimentales suivantes une fuite d'eau dans le sodium évolue selon plusieurs phases: après une première phase, dite d'incubation, de durée pouvant atteindre 1000 h, pendant laquelle la fissure initiale est rebouchée par les produits de corrosion, commence une phase d'évolution lente, de durée plus faible ( 1 h par exemple), pendant laquelle le débit augmente jusqu'à quelques grammes par secon- de; cette phase est suivie d'une phase d'évolution brutale avec augmentation du débit jusqu'à une cen- taine de grammes par seconde; la réaction chimique eau-sodium étant très exothermi- que, une fuite d'eau dans le sodium provoque l'appa- rition d'une flamme en forme de dard qui a pour effet de fondre le métal d'un ou plusieurs tubes voisins de la fuite; un cratère se développe dans le métal du tube affecté et débouche brutalement par un trou dont le diamètre peut atteindre quelques millimètres; il y a donc une nouvelle fuite dont le débit est de quelques centaines de grammes par seconde. Dans les deux cas, l'amplitude de l'onde acoustique augmente brusquement Il y a donc apparition d'un échelon dans l'évolution de la valeur efficace du signal. Les moyens aptes à détecter l'apparition de cet échelon sont représentés sur la figure 2 Un géné- rateur 30 délivre un signal en dents de scie qui est superposé, dans un additionneur 32, au signal lissé En pratique, ce signal lissé peut être tronqué si la va- leur lissée obtenue à un instant d'échantillonnage est extérieure à un intervalle entourant la valeur extrapo- lée à partir de l'échantillon tronqué obtenu à l'ins- tant d'échantillonnage précédent Le signal obtenu après addition des dents de scie est un signal de forme crantée qui est illustré sur la figure 5 Un circuit 34 détermine ensuite la droite ajustant au mieux l'échan- tilfon lissé au sens des moindres carrés Les segments de droite sont représentés sur la figure 6, superposés au signal cranté Un circuit 36 analyse la position de l'échantillon cranté autour de cette droite à l'aide d'un test de séquence La figure 7 représente la varia- tion du nombre de séquences du signal c'est-à-dire de groupes d'échantillons successifs disposés de part et d'autre de la droite des moindres carrés La figure 8 représente l'évolution du critère suivant: C=N+R-P-L-E avec: N nombre de points de l'échantillon, R nombre de séquences, P longueur de la première sé- quence, L longueur de la dernière séquence, E évolution de la longueur de la dernière séquence On impose en outre C= 2 N si la pente de la droite des moindres carrés est négative ou très faiblement positive Le résultat du test est comparé dans un circuit 38 à un seuil pour la détection d'une évolution anormale du signal de la voie. Le demandeur a effectué des tests à l'aide d'un dispositif selon l'invention La sensibilité a été mesurée par des injections de différents fluides (ar- gon, hydrogène, vapeur d'eau) à l'intérieur du faisceau tubulaire d'un générateur de vapeur Huit injections ont été effectuées sous 180 bars avec un débit de 500 mg/s environ et une injection sous quelques bars avec un débit variant entre 6 g/s et 1 g/s. Toutes ces injections ont été détectées par l'analyse du signal quels que soient le régime de fonc- tionnement et le lieu d'injection Cependant, en régime nominal, l'évolution du signal acoustique, quoique si- gnificative, reste faible. Il résulte de ces tests que la sensibilité de l'appareil de l'invention est inférieure à celle des dispositifs de détection d'hydrogène (qui est inférieu- re à 1 g/s) Mais elle est supérieure à celle des mem- branes de sécurité (qui est supérieure à 2 kg/s en cas de rupture rapide) En revanche, le temps de réponse du dispositif est beaucoup plus faible qu'avec les dispo- sitifs de détection d'hydrogène En effet, en raison de la vitesse du son dans le sodium, la transmission de l'information liée à l'apparition d'une fuite est pra- tiquement instantanée Cependant, le traitement du si- gnal, nécessaire à la détection et à la validation du signal d'alarme prend un certain temps Il en résulte un léger retard qui dépend à la fois de la nature des signaux obtenus et de la méthode de détection retenue. Mais dans tous les cas, ce retard ne dépasse pas 10 secondes. La conclusion de ces tests est que les per- S formances du dispositif de l'invention sont complémen- taires de celles des dispositifs connus. Un système de sécurité d'une centrale élec- tronucléaire peut comprendre deux files de contrôle selon l'invention, isolées l'une de l'autre, et asso- ciée chacune à une alimentation électrique distincte. Le système est séparé en deux sous-ensembles assurant chacun les services nécessaires à une demi-centrale. Les deux sous-ensembles peuvent être interconnectés par une liaison isolée à 1500 V et assurant un échange d'in- formations. L'architecture générale d'un tel système de surveillance est illustrée sur la figure 9 Chaque sous-système 51, 52 est structuré en trois parties: des moyens d'acquisition analogique d'une part de signaux thermohydrauliques comprenant des circuits et 502 et d'autre part de signaux acoustiques comprenant des circuits 521, 522, une chaîne de traitement analogique (filtrage et détermination de la valeur efficace) constituée par des circuits 541 542 une chaîne de traitement numérique constituée par un circuit de traitement 561, 562, une console alphanu- mérique 581, 5821 une mémoire de masse 601, 602; ces moyens de traitement sont reliés à la salle de com- mande par un interface 62. Les signaux thermohydraliques peuvent être au nombre de 5 par soussystème Ils correspondent aux mesures des paramètres suivants: débit d'eau à l'en- trée des appareils ( 2 signaux), débit de sodium ( 2 si- gnaux), pression de la vapeur sur la bretelle d'équili- brage des circuits de vapeur (l signal) Il est possi- ble d'étendre à 8 le nombre de signaux thermohydrauli- ques Les signaux acoustiques sont au nombre de 8 ( 4 par générateur de vapeur). La chaîne de traitement numérique peut com- porter en plus des organes mentionnés une console ainsi qu'un dispositif d'impression et de tracé rapide La liaison avec la chaîne de traitement analogique s'ef- fectue, d'une part, par un convertisseur analogique- numérique et, d'autre part, par un dispositif de com- mande des chaînes analogiques. REVENDICATIONS 1 Dispositif de détection de fuite dans un générateur de vapeur situé dans un réacteur nucléaire à neutrons rapides, caractérisé en ce qu'il comprend des capteurs piézoélectriques ( 12, 14, 16) disposés sur ce générateur et un circuit électronique de détection d'anomalie ( 18, 20, 22, 24, 26) dans le signal délivré par ces capteurs. 2 Dispositif selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que le circuit comprend un filtre pas- se-bande ( 20), un circuit ( 22) de mesure de la puissan- ce du signal dans ladite bande, un échantillonneur du signal de puissance, un circuit de traitement des échantillons ( 26). 3 Dispositif selon la revendication 2, ca- ractérisé en ce que le circuit de traitement comprend un circuit de lissage ( 24). 4 Dispositif selon la revendication 3, ca- ractérisé en ce que le circuit de détection d'anomalie ( 26) comprend un circuit de détection d'apparition d'un échelon dans la signal lissé. Dispositif selon la revendication 4, ca- ractérisé en ce que le circuit de détection de l'appa- rition d'un échelon comprend un circuit ( 30, 32) apte à ajouter au signal lissé un signal en dents de scie, -puis un circuit ( 34) apte à déterminer un signal li- néaire ajustant au mieux le signal précédent au sens des moindres carrés, un circuit ( 36) pour analyser la disposition du signal en dents de scie autour du signal linéaire à l'aide d'un test de séquence et enfin un comparateur ( 38) du résultat de cette analyse à un seuil.