Brevet FR2543680A1 — publié le 19841005

Système de détection de gaz de fission La présente invention se rapporte aux systèmes de détection et de localisation des ruptures du gainage des barreaux des assem- blages combustibles nucléaires utilisés dans les réacteurs nucléai- res, en particulier dans les réacteurs nucléaires à refroidissement au sodium. Les réacteurs nucléaires contiennent un coeur combustible constitué d'un groupement d'assemblages combustibles dont chacun comporte plusieurs barreaux de combustible Un barreau de combusti- ble est un tube cylindrique en métal contenant des pastilles de com- bustible nucléaire Le métal du tube isole ces pastilles de c 6 mbus- tible du fluide de refroidissement du réacteur qui s'écoule à la surface du tube ou du gainage. Il arrive qu'une rupture du gainage, ou fuite de combusti- ble, permette à des fragments de fission, et en particulier des gaz, de s'échapper du barreau de combustible et de pénétrer dans le flui- de de refroidissement du réacteur Ces gaz sont susceptibles de se mélanger au gaz contenu dans une région de gaz de couverture, que l'on trouve généralement dans les réacteurs à refroidissement par métal liquide. Une rupture du gainage peut se produire dans un réacteur nucléaire malgré un contrôle sévère de la qualité et des procédés classiques d'exploitation La plupart de ces ruptures sont occasion- nées par des piqûres dans le gainage et (ou) dans les soudures en bouchon à l'extrémité des tubes Les ruptures sont actuellement dé- tectées par l'analyse des gaz de fission à l'extérieur du coeur (par exemple dans le gaz de couverture du réacteur) et par l'observation des précurseurs de neutrons retardés présents dans le fluide de re- froidissement du réacteur. L'une des difficultés que doit résoudre l'instrumentation du réacteur est la détection et la surveillance d'une défaillance de combustible, de telle manière que le fonctionnement sûr du réacteur ne soit pas altéré On peut résoudre cette difficulté grâce à la possibilité de prélever et d'analyser rapidement des échantillons de gaz de fission libéré par la gaine défaillante Il est nécessaire de localiser rapidement l'assemblage combustible à l'origine de la fui- te afin d'activer son enlèvement et réduire au minimum la période d'arrêt du réacteur. Par conséquent, la présente invention a pour objet princi- pal de fournir un procédé permettant d'obtenir un échantillon de gaz de fission venant du fluide de refroidissement du réacteur et d'i- dentifier rapidement l'assemblage qui fuit. Afin de réaliser cet objet, la présente invention consiste en un dispositif pour recueillir les bulles de gaz entraînées dans un liquide contenu dans un parcours 1 d'écoulement muni d'un filtre 2 disposé de manière à forcer le liquide à s'écouler par le filtre 2; ce dispositif se caractérise en ce que le filtre 2 comporte des trous 3 d'un diamètre approprié pour empêcher le passage dans le filtre de bulles de gaz entraînées, en raison des forces de tension superficielle qui s'exercent sur celles-ci et s'opposent à leur pas- sage dans les trous; une chambre 4 d'accumulation des gaz est prévue dans le parcours 1 d'écoulement pour recueillir les bulles de gaz qui n'ont pu passer à travers le filtre 2; un moyen 6 est prévu pour la reprise de ces bulles de gaz accumulées dans la chambre 4. La présente invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante faite en relation avec les dessins ci-joints, dans lesquels: la figure 1 est une vue schématique d'un premier exemple de réalisation; la figure 2 représente un détail de la figure 1; et la figure 3 est une vue schématique d'un deuxième exemple de réalisation. La présente invention agit sur un courant de fluide de re- froidissement du réacteur, immédiatement après son passage dans le coeur de ce dernier. Un premier exemple de réalisation est représenté schémati- quement à la figure 1 Un courant de fluide 1 de refroidissement ve- nant du coeur et contenant des bulles 15 de gaz entraînées, pénètre par le fond Un élément filtrant cylindrique 2 ayant des pores 3 d'un diamètre inférieur à 100, est mouillé par le fluide de re- froidissement passant à travers le filtre 2 Lorsqu'une bulle 15 de gaz de fission entraînée entre en contact avec le filtre 2 près d'un pore 3, (elle doit déplacer le liquide présent dans ce pore pour se frayer un passage), il s'établit un équilibre des forces entre les interfaces du liquide, du filtre solide et du gaz, comme le repré- sente schématiquement la-figure 2 Lorsque le gaz tente de traverser le pore 3, il exerce une pression àP sur l'ouverture du pore en for- mant un ménisque d'angle de contatct 8 L'équilibre des forces peut s'exprimer de la façon suivante: AP 'Ir = 2 tr ro'cos 4; _f= tension superficielle (dynes/cm) ( 1) Pour permettre à la bulle de traverser le pore 3, AP doit être suffisamment élevé pour que e G o (cos 8 > 1) Dans le cas de chutes de pression inférieures à cette valeur, le gaz s'accumulera dans la chambre annulaire 4 prés de l'extrémité supérieure du fil- tre Au fur et à mesure que l'accumulation du gaz se poursuit, celui-ci aura tendance à se dilater et à repousser l'interface flui- de-gaz 5 vers le bas Ceci tendra à diminuer la surface utile du filtre, ce qui augmentera la chute de pression et diminuera le débit total de liquide à travers le filtre Pour empêcher la formation d'une couverture de gaz sur une surface trop importante du filtre, le gaz peut être évacué par la sortie 60 En variante, on peut conce- voir le système de manière a permettre l'accumulation du gaz de cou verture afin d'augmenter la chute de pression dans le filtre jusqu'à la pression critique et commencer à faire passer de force dans le filtre une certaine quantité du gaz accumulé Toutes les bulles de gaz arrivant ensuite avec le fluide de refroidissement continueront à se mélanger au gaz de couverture mais l'évacuation de ce dernier se fera par le filtre. En règle générale, on préfère soutirer périodiquement le gaz accumulé pour contrôler la présence éventuelle de gaz de fis- sion. Le volume effectif de gaz de fission libéré par une rupture de barreau est relativement faible ( 4411) et le système peut fonc- tionner selon un mode d'alimentation et d'évacuation en continu dans lequel un courant de gaz inerte est introduit dans le courant de fluide de refroidissement, en amont du filtre, par l'entrée 7 et évacué en continu par la sortie 6 de manière à fournir un courant permanent d'échantillonnage du gaz Cet échantillon est enrichi en gaz de fission dans le cas d'une rupture de gaine Le mode d'alimen- tation et d'évacuation en continu assure également un effet de lava- ge qui permet le dégagement d'éventuels gaz de fission dissous. Après soutirage, le gaz est amené dans un détecteur à scintillation et un spectromètre de masse en vue d'une analyse classique. On peut concevoir ce système de manière à permettre le dé- bit désiré du fluide de refroidissement avec une chute de pression dans le filtre qui soit inférieure à la chute de pression critique qui forcerait le gaz à traverser les pores 3 -Ce résultat peut être obtenu par un dimensionnement approprié des pores et de la surface du filtre. Calcul type On peut calculer la valeur critique de A P à partir de l'équation ( 1) pour une valeur donnée de r et de o t L P 2 CO 5 _i -> I' pour cos O 1 c r r Pour du sodium liquide à 500 C, O = 210 dynes/cm Pour un diamètre de pore de 10 lp, r = 5 x 104 cm (r rayon du pore) A Pc 8,2 x 105 dynes/cm 2 Un deuxième exemple de réalisation de la présente invention est représenté à la figure 3 Le dispositif comporte un filtre 10, de surface relativement petite, placé dans une tubulure 11 située dans la partie supérieure d'un dispositif d'évacuation des gaz de fission De manière caractéristique, ce point se situe à ou au voi- sinage de l'extrémité supérieure de chaque assemblage combustible du réacteur Pendant le fonctionnement initial, tous les filtres sont mouillés par le fluide de refroidissement qui s'écoule dans la tubu- lure 11 Le débit dans celle-ci est comparable au débit à travers une surface équivalente du filtre principal 13 d'évacuation de gaz. En cas de rupture d'un élément de combustible et de fuite de gaz de fission, le dispositif d'évacuation des gaz de l'assemblage concerné intercepte une fraction représentative (par exemple 10 à 20 %) de l'effluent qui le traverse et il en sépare les bulles de gaz entrai- nées La poussée du liquide sur le gaz emprisonné a tendance à le concentrer dans la partie supérieure 12 du dispositif d'évacuation, là o se trouve le filtre 10 du petit tube L'accumulation de gaz provoque la formation d'une couverture sur le petit filtre 10 et fi- nit par bloquer entièrement l'écoulement du fluide de refroidisse- ment dans le petit tube 11 Un dispositif (non représenté) tel qu'un détecteur de courants tourbillonnaires, permet de surveiller l'accu- mulation du gaz de fission intercepté par le grand filtre On peut aussi utiliser une grande variété de procédés de détection des gaz ou de mesures associées au déplacement du sodium Si le dispositif est placé dans la partie supérieure de l'assemblage combustible, les dispositifs 17 de soutirage peuvent être accouplés à l'ajutage 16 de sortie en vue de l'échantillonnage des gaz accumulés. Si le dispositif est placé au-dessus de l'assemblage com- bustible, il est possible de le munir de détecteurs tels que des dé- tecteurs de courants tourbillonnaires, afin de détecter l'accumula- tion de gaz sous le petit filtre Ceci permet la surveillance à dis- tance en continu de chaque assemblage combustible. On peut effectuer l'opération de soutirage soit immédiate- ment après la détection de gaz par le détecteur soit à un moment ul- térieur mieux approprié tel qu'un arrêt prévu du réacteur Chacun des assemblages contenant des barreaux qui fuient peut alors être identifié, contrôlé et démonté La présence de plusieurs barreaux présentant une fuite ou même l'apparition simultanée de fuites mul- tiples portant sur plusieurs barreaux ne gêne pas l'identification. Etant donné que tout le gaz échappé est retenu par le filtre jusqu'à l'échantillonnage, il n'est pas nécessaire d'identifier immédiate- ment le barreau à l'origine de la fuite au moment o celle-ci se produit (comme dans le cas du marquage des gaz) De même, un arrêt du système d'échantilonnage et d'analyse des gaz au moment o il se produit une ou plusieurs fuites, n'entraîne pas une perte irréversi- ble de la capacité d'identification Etant donné que le dispositif accumule les gaz de fission pendant toute la période durant laquelle l'assemblage fonctionne en situation de rupture, il n'est pas nices- saire de provoquer une fuite de gaz de fission des barreaux compor- tant une rupture, au moment de l'échantillonnage. En vue du soutirage, le dispositif de prélèvement est ac- couplé à la sortie 16 du tube filtrant ou il est monté en permanence sur l'ajutage de sortie en tant que partie d'un système fixe de sou- tirage avec un système commun de tuyauterie ou une vanne de sélec- tion rotative Un soutirage rapide par ce tube provoque un dépasse- ment de la chute de pression critique dans le petit filtre et le gaz accumulé est aspire, à travers le filtre, dans l'étage d'échantil- lonnage du gaz o on peut l'analyser afin de confirmer la présence de gaz de fission et en déterminer la quantité. La surveillance de l'accumulation de gaz dans les tubes fournit un procédé simple et rapide de détection et de localisation des ruptures de gainage Le procédé de soutirage permet d'identifier le barreau qui fuit Le dispositif filtrant est un élément simple et passif sans parties mobiles. EXEMPLE Dans une installation caractéristique (voir figure 3), le filtre principal d'extraction des gaz destiné à un assemblage com- bustible de grandeur normale est un cylindre 18 de 7,5 cm de diamè- tre et de 15 cm de longueur entourant 12 filtres tubulaires 13 de 1,3 cm de diamètre et de 15 cm de longueur Cette installation four- nit une surface filtrante d'environ 0,09 m 2 Un cône déflecteur 19 est conçu pour créer une chute de pression de 0,352 kg/cm 2 environ ( 5 psi) dans le filtre lorsque le débit total dans l'assemblage com- bustible est à sa valeur nominale de 1,892 m 3/min ( 500 gpm) Un fil- tre en acier inoxydable fritté de 10 y permet un débit d'environ 75,7 1/min par 929 cm 2 de surface de filtre et pour une chute de pression de 0,070 kg/cm 2 La chute de pression de 0,35 kg/cm 2 sur une surface de 0,09 m 2 permet donc un débit de 360 1/min soit envi- ron 20 h du débit total dans l'assemblabe combustible Si le mélange dans l'assemblage s'opère correctement, on peut supposer que 20 % environ du gaz libéré seront interceptés par les filtres principaux. 2543680, Dans le cas o 10 ml seulement de gaz sont libérés par le barreau défaillant, les 2 ml capturés par le filtre d'évacuation des gaz suffisent à former une couverture de gaz sur le petit filtre Pen- dant l'opération de soutirage, l'application sur le filtre d'une chute de pression supérieure à 0,7 kg/cm 2 suffit pour aspirer le gaz à travers le filtre. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de ré- alisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire suscep- tible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. L'invention décrite ci-dessus a été conçue dans le cadre de l'exécution du contrat nç DE-AC 06-76 FF 02170 couclu avec le Gouverne- ment des Etats-Unis d'Amérique. 254368 C R E V E N D I C A T I 0 N S 1 Dispositif pour recueillir les bulles de gaz entraînées dans un liquide contenu dans un parcours ( 1) d'écoulement muni d'un filtre ( 2) disposé de manière à forcer le liquide à s'écouler par ce filtre ( 2), ce dispositif étant caractérisé en ce que le filtre ( 2) comporte des trous ( 3) d'un diamètre approprié pour empêcher le passage dans le filtre des bulles de gaz entraînées, en raison des forces de tension superficielle qui s'exercent sur celles-ci et s'opposent à leur passage dans les trous du filtre; en ce qu'une chambre ( 4) d'accumulation des gaz est prévue dans le parcours ( 1) d'écoulement pour recueillir les bulles de gaz qui n'ont pu passer à travers le filtre ( 2); et en ce qu'un moyen ( 6) est prévu pour la reprise des bulles de gaz accumulées dans la chambre ( 4). 2 Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide est un métal liquide de refroidissement pour réacteurs nucléai- res. 3 Dispositif suivant l'une des revendications 1 ou 2, carac- térisé en ce que le filtre ( 2) comporte un trou ( 9) de 1 mm de diamètre pour limiter la couverture de ce filtre par le gaz. 4 Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les trous ( 3) du filtre ont un diamètre de >, u. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le parcours d'écoulement comporte un moyen ( 7) pour injecter un gaz inerte en amont du filtre ( 2) 6 Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel ce dispositif est monté dans un assemblage combustible nuclé- aire pour surveiller la rupture du gainage desbarreaux et l'échappement de gaz qui en résulte, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'un deu- xième filtre ( 10) est monté dans le parcours d'écoulement, de telle ma- nière qu'une partie du fluide de refroidissement traverse ce deuxième fil- tre ( 10), ce dernier étant orienté sensiblement à l'horizontale et trans- versalement par rapport au premier filtre ( 2), de sorte que ce deuxième filtre ( 10) est recouvert d'une couverture de bulles de gaz de fission qui s'accumulent dans la chambre ( 4) lors d'une rupture de gainage; et en ce qu'un moyen est prévu pour surveiller l'écoulement du fluide de refroi- dissement à travers ce deuxième filtre dans le but d'indiquer une rupture de gainage.