Brevet FR2536573A1 — publié le 19840525

- Dispositif de mesure de la puissance dans un réacteur nuc léaire La présente invention concerne la mesure de la puissance thermique dégagée localement dans le coeur d'un réacteur nucléaire par deux principes physiques complémen- taires, éventuellement complétée par la mesure de la tempé- rature locale du réfrigéranto On connaît déjà (FR-A-2 420 827) un dispositif de mesure de la puissance locale en un emplacement situé dans le coeur d'un réacteur nucléaire, dispositif comprenant un corps absorbant les rayonnements gamma placé audit emplace- ment et un thermocouple ayant deux jonctions dont l'une est disposée de façon à être portée a la température du corps et dont l'autre est à une température de référence, directe- ment liée à la température du réfrigérant du réacteur audit emplacement lors du fonctionnement stabilisé du réacteur O Les jonctions sont -reliées à l'extérieur par des fils con- ducteurs isolés, généralement placés dans utne gaine métalli- que qui traverse la cuve du réacteur Ce dispositif est couramment dénommé "thermomètre gamma". Le signal de sortie du thermocou-p Le différentiel du dispositif fournit un signal reprïsedteatif de la puissance dégagée par le combustible du coeur à'emplacement de mesureo Mais ce signal présente une consta:nte de temps longue et corrélativement une bande passante& l Inmitée Dans la pratique, il n'est pas possible de détecter les fluctuations ou vibra- tions à des fréquences supérieures àl Hz environ Or, la connaissance de telles fluctuations présente un intérêt certain pour la surveillance et le fonctionnement du réacteur. L'invention vise notamment à fournir un dispositif dans lequel la limitation ci-dessus est dans une large mesure écartée et qui, au surplus, peut être réalisé de façon a permettre la prise en compte, du flux neutronique. L'approche adoptée dans ce but consiste à rendre 2- le dispositif capable d'assurer également les fonctions de l'appareil fréquemment appelé "collectron" ou désigné par l'abréviation SPND (Self Power Neutron Detector), en utili- sant le fait que, dans les flux neutronique et gamma du coeur, un courant électrique apparaît entre une gaine et un conducteur isolé qu'elle contient Un dispositif suivant l'invention comprend en conséquence un thermomètre gamma tel que défini ci-dessus, comprenant de plus des moyens pla- cès à l'extérieur du réacteur pour mesurer le courant total c 10 cirçant entre l'un au moins des fils de sortie et la gaine sous liaction des flux neutronique et gamma dans le coeur. Les f ls des thermocouples de chaque thermomètre gamma sont euxomêmes le siège d'un effet collectron représentant l'intégrale du flux neutronique et gamma au droit du thermo- couple associé au theromiètre gamnma Pour permettre la mesure locale de la puissance au droit d'un élément sensible bien localisé en écartant l'effet dû aux fils, le dispositif suivant l'invention utilise avantageusement un thermocouple à trois filso En général, plusieurs dispositifs du genre défini ci-dessus seront insérés dans un même canal traversant la paroi de la cuve, leurs thermocouples étant a des niveaux différents. Per un choix approprié des constituants du dispo- sitif, et en particulier de la nature d'un élément localisé s'ajautant aux fonctions du thermocouple et logé dans la même gaine, on peut rendre le dispositif sensible à un r&ayannement déterminé (neutrons ou rayonnement gamma) et s 6 lectionner la bande passante et ajuster ainsi la bande 3 G passante L'utilisation d'un élément sensible en platine permet par exemple d'étendre la bande passante du disposi- tif dans son ensemble, tout en n'utilisant que des rayonne- ments gamma. La mise en oeuvre de l'invention ne se heurte pas a des difficultés technologiques particulières: on sait en effet réaliser des thermocouples mu Itifils, multijonc- tions de faible diamètre de gaine de protection On voit que l'invention présente une grande souplesse d'emploi puise qu'elle permet d'obtenir deux mesures distinctes des flux neutroniques et gamma ainsi qu'une mesure de température. L'invention sera mieux comprise a la lecture de la description qui suit d'un dispositif qui en constitue un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère au dessin qui l'accompagne, dans lequel: la Figure 1 est une vue en coupe très simplifiée montrant un réacteur nucléaire susceptible d'être équipé d'un dispositif suivant l'invention; la Figure 2 est une vue de détail en coupe montrant un fragment d'un thermomètre gamma faisant partie du dispositif suivant l'invention; la Figure 3 est un schéma de principe d'un dispositif suivant l'invention intégrant un thermomètre gamma et un collectrono On a montré sur la figure 1 la cuve 10 d'un réacteur nucléaire qu'on supposera, par la suite, être du type a eau sous pression Cette cuve contient le coeur 12 du réacteur, constitué d'assemblages de combustible juxtaposés, contenant chacun un faisceau d'aiguilles de combustible verticaleso Le coeur est parcouru par un courant ascendant d'eau sous pression constituant le réfrigérant, indiqué schématiquement par la flèche f. Tout réacteur nucléaire doit être muni de dispositifs de mesure du flux neutronique et/ou de la puissance locale en divers emplacements du coeur Un dispositif particuliè- rement bien adapté à la mesure de la puissance locale est constitué par celui couramment dénommé "thermomètre gamma", dont on pourra trouver une description dans le document FR- A-2 420 827 déjà mentionné Ce dispositif comporte, dans un même canal 16 qui traverse la cuve du réacteur et pénètre dans le coeur, plusieurs thermocouples de mesure, dont les emplacements sont désignés-par 18 a, 18 b, 18 e sur la figure. En chacun des emplacements de mesure est placé un thermocouple dont un est montré en Figure 20 Ce thermocouple est situé dans un trou central 20 du corps absorbant le rayonnement g-amma 22 Ce corps, de forme cylindrique, est enserré par un tube constituant le canal 16 En chacun des emplacements 18 a, 18 e, un évidement 24 est ménagé dans le corps 22 Cet évidement constitue une brèche dans le trajet d'écoulement de chaleur du corps 22 vers le tube 16 et le réfrigérant L'une des jonctions 26 du thermocouple est pla- cée sensiblement au niveau du milieu de la brèche 24, tandis que l'autre jonction 28 est placée à un niveau adjacent à celui de la brèche, o l'écoulemen-t de-chaleur depuis le corps 22 est sensiblement radiali Les deux jonctions 26 et 28 peuvent être réalisées de la façon suivante: deux fils isolés 30 et 32 en un métal constituant un premier composant d'un couple thermo-électri- que (Chromel par exemple) sont amenés depuis l'extérieur jusqu'aux jonctions 26 et 28 Un tronçon 34 d'un métal cons- tituant l'autre composant du couple (Alumel par exemple) est relié par soudure aux fils 30 et 32, pour constituer les jonctions 26 et 28. Les fils 30 et 32 ainsi que les jonctions sont dispo- sés dans uen gaine métallique de protection 36, généralement en acier inoxydable Cette gaine est en général occupée par une masse pulvérulente d'isolant minéral, choisi pour n'être pas dégradé par les rayonnements à l'intérieur du coeur. Les fils 30 et 32 sont réunis, à l'extérieur du coeur, à un ensemble de mesure de la tension fournie par le thermocouple différentiel, schématisé sur la Figure 3 par un amplificateur de tension 50 et un appareil de mesure 52. - Cet ensemble constitue, avec le thermocouple, un thermomètre gamma et fournit un signal de mesure de puis- sance locale. Un second ensemble de mesure, similaire au premier, fournit un signal de mesure de la température absolue de la jonction froide 28 o I 1 comporte encore un amplificateur de tension 38 et un appareil de mesure 40 Les entrées de l'amplificateur 38 sont reliées l'une au fil 32 ' l'autre à un fil 33, de même nature que le tronçon 34 et raccordé à la jonction 28. A chaque couple thermo 1 électrique situé au droit d'un évidement 24 est associé, de la même façon, un ensemble de mesure On peut ainsi déterminer la puissance thermique lo- cale en de nombreux emplacements du coeur et en déduire la répartition de puissance. Les éléments du dispositif décrit jusqu'ici ont une constitution générale connue, permettant de déterminer la puissance moyenne en régime stabilisé Mais la bande passante est limitée. Le dispositif suivant l'invention utilise le courant réparti qui apparart entre la gaine 36 et un élément sen S- ble 42, ou émetteur Cet élément 42 est par exemple un tronçon de fil de platine connecté électriquement au fi L , au point 44. Ce courant est mesuré par un amplificateur de ca-rant 53,d'impédance d'entrée Z,monté entre le fil 30 et la gaiae 36 Pour compenser le courant collectron dû aux fils et qui représente l'intégrale du flux neutronique et g,& mma coupé par les divers fils du thermocouple, un deuxièâmne courant collectron est mesuré entre le fil 32 et la gaïie 36. Ce courant est mesuré par un amplificateur de courant 54 dont l'impédance d'entrée est 2 Z Les amplificateurs 53 et 54 sont connectés a des moyens de calcul 55 qui calculent le signal collectron pur dû à l'émetteur 42 par une formule appro- chée du type: I = 4 (I 1 12) o I est le courant collec- 6 - tron pur d à '11 élément 42, alors que I 1 est le courant mesuré entre le fil 30 et la gaine 36 et 12 le courant mesu- ré entre le fil 32 et la gaine 36. Afin que le montage soit équilibré, une résistance de charge 56 d'impédance 2 Z est placée entre le fil 33 (de même nature que le tronçon 34, Alumel par exemple) et la gaine 360 Au lieu du montage suivant la Figure 3, à quatre amplificateurs, on peut utiliser un montage simplifié com- portant des commutateurs permettant de faire l'une ou I O l'autre des mesures. Les moyens de calcul 40, 52 et 55 sont numériques ou araiogiques et peuvent être prévus pour fournir des indica- tions supplémentaireso En particulier, Ies signaux fournis par Les amplificateurs 38 et 50 peuvent être utilisés afin d'obtenir la température du réfrigérant et le flux gamma corrigé, suivant le procédé décrit et revendiqué dans la demande de brevet FR déposée le même jour que la présente demande pour "Procédé et dispositif de mesure de la puissance thermique locale dans un réacteur nucléaire" mettant en oeuvre un élément chauffant. Le dispositif permet de plus de mesurer simultané- ment et en un même point les flux gamma et neutronique par l'utilisation d'un émetteur 42 approprié, en rhodium ou vanadium par exempleo Les moyens de calcul 52 et 55 peuvent alors être couplés de manière à établir des corré- lations entre les signaux d'origine gamma et neutroniqueo Enfin, le dispositif peut être utilisé pour mesurer le flux gamma par deux principes physiques différents; en utilisant un émetteur 42 en platine, par exemple, on obtient un dispositif n'utilisant que des sources gamma, mais dont la bande passante s'étend sur plusieurs centaines de Hertz grace au signal délivré par 'l'émetteur 42, dans la mesure o les amplificateurs 53 et 54 ainsi que les moyens de calcul 55 ont une bande passante suffisante Ces moyens de calcul 55 peuvent être prévus pour effectuer divers traitements, par exemple: 7 - Une analyse spectrale du signal correspondant au collectron, dans le but d'obtenir un spectre de puissance du bruit collectron représentatif de phénomènes vibratoires (par exemple les vibrations mécaniques du coeur) Une ana- lyse spectrale simultanée de deux voies permet, par mesure de dêphasage, d'estimer la vitesse du réfrigérant Les moyens 55 peuvent alors comporter par exemple un analyseur spectral à transformée de Fourier rapide' ou FFT, tel que l'analyseur INTERTECHNIQUE IN 110-ou NICOLET SCIENTIFIC 6600 Le suivi rapide des flux, dans le but d'utiliser le dispo- sitif dans les chaînes de protection habituellement-instal- lées sur les réacteurs nucléaires. -8- REVENDICATIONS 1 Dispositif de mesure de la puissance locale en un emplacement situé dans le coeur d'un réacteur nucléaire, comprenant un corps absorbant les rayonnements gamma placé audit emplacement et un thermocouple ayant deux jonctions ( 26, 28) dont l'une est disposée de façon à être portée a la température du corps et dont l'autre est à une température de référence, directement liée à la température du réfrigé- rant du réacteur audit emplacement lors du fonctionnement stabilisé du réacteur, les jonctions étant reliées à l'exté- rieur par des fils conducteurs isolés de sortie placés dans une ga ine métallique qui traverse la cuve du réacteur, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens ( 53, 55) placés à l'ext(érieur du réacteur pour mesurer le courant total cir- culant entre l'un au moins des fils de sortie ( 30,32) et la gaine ( 36) sous l'action des flux neutronique et gamma dans le coeur- 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un émetteur ( 42) connecté à l'un des fils, à l'emplacement de mesure, lesdits moyens de mesure ( 53,55) étant prévus pour mesurer le courant entre la gaine ( 36) et ce fil. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'émetteur ( 42) est en un matériau, tel que le platine, fournissant un courant collectron fonction essen- tiellement du rayonnement gamma. 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de mesure sont prévus pour soumettre le signal de courant à analyse transitoire et analyse spec- trale sur une bande étendue. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'émetteur ( 42) est en un matériau, tel que rhodium ou vanadium, fournissant un courant collectron fonc- tion du rayonnement neutronique. 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de mesure sont prévus pour effectuer une corrélation entre les signaux représentatifs des flux de rayonnement gamma et neutronique au même emplacement. 7 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions i à 6, caractérisé en ce qu'il comprend un fil de sortie supplémentaire ( 33) relié à la jonction ( 24) à la temperature du réfrigérant, en un matériau de même nature que celui qui relie les deux jonctions, et en ce que les moyens de mesure ( 38, 40, 50-55) sont prévus pour mesurer les signaux de sortie des thermocouples ainsi constitués et les courants entre le fil supplémentaire et la gaineo 8 Dispositif sel N l'une quelconque des revendica- t n nsirrcdentes, cractéris eni ce qui i comiporte plusieurs r ir; :ocouples disposés à des niveaux différentso