Brevet FR2546329A1 — publié le 19841123

Procédé de détection des variations de la réactivité du coeur d'un réacteur nucléaire à eau sous pression et dispositif de mise en oeuvre de ce procédé La détection des variations de la réactivité du coeur d'un réac- teur nucléaire à eau sous pression constitue l'un des moyens de contrôle du bon fonctionnement du réacteur. On sait détecter les variations de la réactivité du combustible d'un réacteur à partir de la puissance du réacteur, cette puissance, que l'on peut mesurer, par exemple, à l'aide de chambres de flux extérieures au coeur, étant fonction de la réactivité du combustible. Toutefois, en utilisant de tels procédés, on ne peut pas distin- guer les variations de réactivité induites par les évolutions de la tempéra- ture moyenne du fluide primaire dans le coeur des variations de réactivité dues à une mauvaise position des grappes de contrôle, par exemple une chute intempestive de grappes Or, il est très important de connaître les varia- tions de réactivité propres aux grappes, car ces variations sont souvent très importantes et nécessitent une intervention rapide du personnel de sur- veillance En outre, si l'on veut pouvoir agir le plus rapidement possible, il faut détecter très rapidement les variations de réactivité, même en pé- riode transitoire. L'invention concerne donc un procédé de détection des variations de la réactivité du coeur d'un réacteur nucléaire à eau sous pression, à une ou plusieurs boucles de réfrigération, dues à un défaut de la position des grappes de contrôle du coeur. Selon l'invention, on compare une valeur instantanée représentati- ve de la réactivité du combustible calculée directement à partir de la puis- sance neutronique du coeur mesurée au moyen de chambres de mesure de flux neutronique extérieures au coeur, à une valeur instantanée représentative de la réactivité calculée à partir de la température moyenne instantanée dans le coeur et de la concentration moyenne en bore du fluide primaire qui traverse le coeur. Dans un mode préféré, la valeur de la réactivité calculée directe- ment à partir de la puissance neutronique du coeur est obtenue en résolvant les équations de la cinétique neutronique, reliant la puissance neutronique à la réactivité, et en corrigeant la valeur obtenue par ladite résolution, par un coefficient tenant compte de l'influence de l'effet DOPPLER. De préférence, la température moyenne du fluide primaire dans le coeur est calculée à partir de la température moyenne, pour l'ensemble des boucles de réfrigération, du fluide primaire à l'entrée du coeur, et de la température moyenne du fluide primaire à la sortie du coeur, cette dernière étant calculée au moyen de la puissance thermique du coeur, du débit global du fluide primaire et de la température moyenne du fluide primaire mesurée à l'entrée du coeur. L'invention concerne également un dispositif de mise en oeuvre du procédé précité. Selon l'invention, ce dispositif comporte des moyens de mesure de la puissance neutronique du coeur, de la tempéra- ture moyenne du fluide primaire dans la branche froide et de la concentra- tion en bore du fluide primaire pour l'ensemble des boucles de réfrigéra- tion, et du débit global du fluide primaire, des moyens de calcul de la réactivité à partir de la mesure de puissance neutronique, comprenant des moyens de résolution des équations de la cinéti- que neutronique et de correction de la valeur ainsi obtenue par un coeffi- cient tenant compte de l'effet DOPPLER, des moyens de calcul du signal de température moyenne du fluide primaire à l'entrée du coeur, obtenu à partir du signal de température moyenne du fluide primaire dans la branche froide, modifié par un opérateur de décala- ge temporel correspondant au temps de transit moyen d'une molécule de flui- de primaire du point de mesure de température branche froide à l'entrée du coeur et par un modèle ponctuel de transfert thermique du fluide primaire dans le coeur, correspondant au temps de transit d'une molécule de fluide primaire de l'entrée du coeur au centre du coeur, des moyens de calcul du signal de l'enthalpie à l'entrée du coeur, à par- tir du signal de température moyenne du fluide primaire à l'entrée du coeur, des moyens de calcul de la puissance thermique du coeur à partir de la puissance neutronique mesurée, au moyen d'un modèle ponctuel de transfert thermique entre le flux neutronique et le flux thermique du fluide primai- re, des moyens de calcul du signal de l'élévation de l'enthalpie dans le coeur, par quotient du signal de la puissance thermique du coeur par le si- gnal du débit global du fluide primaire, modifié par un modèle ponctuel de transfert thermique du fluide primaire dans le coeur, correspondant à la moitié du temps de transit moyen d'une molécule de fluide primaire pour tra- verser le'coeur, des moyens de calcul du signal de l'enthalpie à la sortie du coeur, par sommation du signal de l'enthalpie à l'entrée du coeur et du signal de l'é- lévation d'enthalpie dans le coeur, des moyens de calcul du signal de la température moyennes pour l'ensemble des boucles de réfrigération, à la sortie du coeur à partir du signal de l'enthalpie à la sortie du coeur, des moyens de calcul du signal de la température moyenne du fluide primai- re dans le coeur à partir des signaux de température à l'entrée et à la sor- tie du coeur, des moyens de calcul d'un signal représentatif de la réactivité dans le coeur, à partir du signal de la température moyenne dans le coeur et d'un signal représentatif de la concentration en bore du fluide primaire, des moyens de comparaison du signal représentatif de la réactivité obte- nu à partir de la puissance neutronique et du signal représentatif de la ré- activité obtenu à partir de la température moyenne dans le coeur et de la concentration en bore du fluide primaire. Dans un mode préférentiel, les signaux représentatifs de la réac- tivité sont constitués par les dérivées temporelles de la réactivité. Afin d'être mieux comprise, l'invention va maintenant être décri- te de façon plus précise en se reportant plus particulièrement à un mode préféré de réalisation de l'invention, illustré par la figure annexée. La figure montre que l'on mesure quatre paramètres relatifs au fonctionnement du coeur et que l'on en déduit, au moyen d'un dispositif dé- crit ci-après, les variations de réactivité dues aux grappes. Les mesures effectuées sont tout d'abord des mesures de flux neu- tronique effectuées de façon classique au moyen de quatre chambres de flux neutronique multi-étagées disposées à l'extérieur du coeur, chaque chaibre mesurant le flux neutronique issu de l'un des quadrants du coeur Dans l'exemple que nous allons décrire, on utilise quatre dispositifs selon l'in- vention, un dispositif étant associé à chacune des chambres multi-étagées. Ceci permet le contrôle de la réactivité même si l'un des quatre disposi- tifs s'avère défectueux ou est en cours de réparation (On suppose ici une répartition symétrique de la puissance). Un sommateur 1 permet d'obtenir, à partir des signaux de mesure de flux neutronique issus des différents étages (par exemple au nombre de six) de la chambre, un signal représentant la puissance neutronique moyenne du coeur, que l'on appellera par la suite de façon plus simple le signal de puissance neutronique, repéré par 2. Ce signal 2 entre dans un module 3 qui calcule la réactivité du coeur, la puissance neutronique étant fonction de cette réactivité Il est préférable d'utiliser une relation simple entre la puissance neutronique et la réactivité, en tenant compte par exemple d'un seul groupe moyen de neu- trons retardés au cours de la réaction en chaine qui a lieu dans le réac- teur L'inventeur a constaté qu'en réalisant cette simplification, il obtenait un résultat très satisfaisant; c'est-à-dire que le dispositif selon l'invention, bien qu'utilisant une relation simplifiée entre la puissance neutronique et la réactivité, permettait d'atteindre le but visé par l'in- vention, -à savoir, détecter de façon correcte et rapide les variations de réactivité afin de pouvoir intervenir à temps pour corriger ces variations. Le signal 2 permet également de calculer la puissance thermique du coeur, que l'on repérera par 15, au moyen d'un modèle ponctuel 16 de transfert thermique entre le flux neutronique et le flux thermique du flui- de primaire La fonction de transfert du modèle 16 est -i, ' représen- tant la constante de temps de transfert thermique et p la variable de Laplace. Le signal de puissance thermique 15 entre dans un module 35 don- nant un signal 36 qui est soustrait, dans un sommateur 37, du signal 4 de la réactivité globale issue du module 3 Le signal 36 est un signal de cor- rection de la réactivité, tenant compte de l'influence de l'effet DOPPLER. Le signal 38, obtenu à la sortie du sommateur 4, entre dans un mo- dule 5 qui calcule la dérivée X du signal 38 On repèrera ce signal par 6 On notera que la fonction du transfert du module 5,,c comporte outre le facteurecp olg est la constante de dérivation de la réactivité, un filtre de type classique afin d'obtenir un signal 6 comportant le moins de parasites possible (p est bien sûr la variable de Laplace). Alors que le signal 6 constitue un signal élaboré à partir du flux neutronique du réacteur, un autre signal représentant la réactivité du réacteur va être élaboré en fonction de la température moyenne du fluide primaire dans le coeur Dans ce but, un module 7 effectue la moyenne des températures mesurées dans les branches froides de chacune des boucles de réfrigération, ici quatre Le signal issu de ce module est repéré par 8. Comme les capteurs de température branche froide sont situés à une certaine distance de l'entrée du coeur, et non exactement à l'entrée du coeur,le si- gnal 8 est modifié par un opérateur 9 (fonction de transfert e) de déca- lage temporel correspondant au temps de transit moyen i d'une molécule de fluide primaire du point de mesure de température branche froide à l'entrée du coeur Cet opérateur 9 est suivi d'un modèle ponctuel 10 de transfert thermique du fluide primaire dans le coeur correspondant au temps de tran- sit-CU'une molécule de fluide primaire de l'entrée du coeur au centre du e -4 coeur (fonction de transfert:) On obtient à la sortie de ce modèle un signal 11 correspondant à 1 température moyenne t e, pour l'ensemble des boucles, à l'entrée du coeur Le signal 11 entre ensuite dans un opéra- teur 12 calculant la valeur de l'enthalpie moyenne à l'entrée du coeur. L'enthalpie est par exemple déterminée par un polynome du second degré en e Pour obtenir une meilleure précision on peut aussi faire le calcul sui- vant un polynome du troisième degré en ee On obtient ainsi un signal 13 représentant l'enthalpie moyenne à l'entrée du coeur. D'autre part, des moyens sont prévus pour calculer l'élévation d'enthalpie du fluide primaire pendant la traversée du coeur Ce signal, que l'on repèrera par 14 est obtenu par quotient du signal 15 de la puissan- ce thermique du coeur par le signal du débit global du fluide primaire Le signal de débit global du fluide primaire est obtenu par sommation du débit du fluide primaire pour l'ensemble des boucles de réfrigération du réac- teur, ici quatre, le signal de débit global 17 étant modifié par un modèle ponctuel 18 (fonction de transfert:) de transfert thermique du flui- de primaire dans le coeur correspondant à la moitié du temps de transit moyen G 3 d'une molécule de fluide primaire pour traverser le coeur On repè- rera par 17 ' le signal de débit global modifié par le modèle 18 Les si- gnaux 15, 17 ', Il et 13 sont en phase. L'opérateur 19 effectue le rapport du signal 17 ' par le signal : on obtient un signal 14 représentant l'élévation d'enthalpie moyenne du fluide primaire dans le coeur. Les signaux 13 et 14 sont ensuite additionnés dans un sommateur , ce qui permet d'obtenir un signal 21 représentant l'enthalpie moyenne à la sortie du coeur Un opérateur 22 déduit du signal 21 un signal 23 repré- sentant la température moyenne de sortie du coeur L'opérateur 22 utilise bien sûr la même relation entre l'enthalpie et la température que l'opéra- teur 12 précité, la température de sortie correspondant à la racine positi- ve, dans le cas d'un polynome du deuxième degré. Les signaux Il et 23 représentatifs de la température moyenne du fluide primaire à l'entrée et à la sortie du coeur entrent dans un somma- teur 24 après avoir été affectés chacun d'un coefficient K égal à un demi. Le signal 25 issu du sommateur 24 est représentatif de la température moyen- ne du fluide primaire dans le coeur. Un opérateur 26, de fonction de transfert n S(p étant la varia- ble de Laplace), calcule à partir du signal 25 un signal 27 représentatif de la dérivée temporelle de la température moyenne du fluide primaire dans le coeur T 5 représente la constante de dérivation et T 6 un filtre de ré- duction du gain transitoire de l'opérateur 26. Un opérateur 28 effectue d'autre part la moyenne des mesures de concentration en bore du fluide primaire pour l'ensemble des boucles de ré- frigération du réacteur Le signal issu de l'opérateur 28 est repéré par 29 Comme la réactivité du réacteur est fonction de la température moyenne dans le coeur et de la concentration en bore, un opérateur 28 recevant à son entrée les signaux 27 et 29 permet d'obtenir un signal 30 représentant la dérivée * de la réactivité dans le coeur. Les signaux 6 et 30 sont comparés en 31 Quand le réacteur fonc- tionne normalement, les deux signaux s'annulent et le signal 32 issu du com- parateur 31 est nul, mais, si le signal 32 atteint une certaine valeur, il est représentatif d'une anomalie résidant dans les grappes de contrôle, par- exemple une chute incontrôlée de grappes Le signal 32 entre dans deux re- lais à seuil 33 et 34, le relais 33 détectant les signaux 32 positifs et le- relais 34 détectant les signaux 32 négatifs On peut ainsi connaitre le sens de la variation de la réactivité due aux grappes et intervenir de fa- çon différente suivant que cette variation est positive ou négative: une variation positive peut nécessiter un arrêt d'urgence qui n'est bien sûr pas nécessaire dans le cas d'une variation négative. Bien entendu l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui a été décrit uniquement à titre d'exemple mais elle couvre également les autres modes de réalisation qui n'en différeraient que par des détails, par des variantes d'exécution ou par l'utilisation de moyens équivalents. Ainsi, dans 'Lexemple décrit, on a comparé deux valeurs de de la dérivée temporelle de la réactivité; mais on pourrait également comparer directement deux valeurs de la réactivité en éliminant de façon classique la composante continue des signaux représentatifs de ces valeurs. On pourrait aussi remplacer les modèles ponctuels 10 et 17 par d'autres modèles ponctuels jouant le même rôle; ceux-ci pourraient par exemple être non linéaires. On pourrait également mesurer directement la température moyenne du fluide primaire dans le coeur malgré les contraintes techniques que cela impose. Dans tous les cas, les variantes possibles doivent être réalisées de façon à ce que tous les signaux soient en phase et que le dispositif soit ainsi valable non seulement en régime permanent mais aussi en régime transitoire; c'est le cas pour le dispositif décrit à titre d'exemple et qui permet un contrôle très efficace des anomalies dues aux grappes. REVENDICATIONS 1. Procédé de détection des variations de la réactivité du coeur d'un réacteur nucléaire à eau sous pression, à une ou plusieurs boucles de réfrigération, dues à un défaut de la position des grappes de contrôle du coeur, caractérisé par le fait que l'on compare une valeur instantanée ( 6) repré- sentative de la réactivité calculée directement à partir de la puissance neutronique du coeur ( 2) mesurée au moyen de chambres de mesure de flux neu- tronique extérieures au coeur, à une valeur instantanée ( 30) représentative de la réactivité calculée à partir de la température moyenne instantanée ( 25) dans le coeur et de la concentration moyenne ( 29) en bore du fluide primaire qui traverse le coeur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la valeur ( 6) de la réactivité calculée directe- ment à partir de la puissance neutronique du coeur ( 2) est obtenue en résol- vant les équations de la cinétique neutronique, reliant la puissance neutro- nique à la réactivité, et en corrigeant la valeur ( 4) obtenue par ladite ré- solution par un coefficient ( 36) tenant compte de l'influence de l'effet DOPPLER. 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la température moyenne ( 25) du fluide primaire dans le coeur est calculée à partir de la température moyenne ( 8), pour l'ensemble des boucles de réfrigération, du fluide primaire à l'entrée du coeur, et la température moyenne ( 23) du fluide primaire à la sortie du coeur, cette dernière étant calculée au moyen de la puissance thermique ( 15) du coeur, du débit global du fluide primaire -( 17) et de la température moyenne du fluide primaire à l'entrée du coeur ( 8). 4. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une des reven- dications 1 à 3. caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens de mesure de la puissance neutronique du coeur, de la tempéra- ture moyenne du fluide primaire dans la branche froide et de la concentra- tion en bore du fluide primaire pour l'ensemble des boucles de réfrigéra- tion, et du débit global du fluide primaire, des moyens de calcul ( 3) de la réactivité à partir de la mesure ( 2) de puissance neutronique, comprenant des moyens ( 3) de résolution des équa- tions de la cinétique neutronique et de correction ( 37) de la valeur ( 4) ainsi obtenue par un coefficient ( 36) tenant compte de l'effet DOPPLER, des moyens ( 12) de calcul du signal ( 11) de température moyenne du fluide primaire à l'entrée du coeur, obtenu à partir du signal de la température moyenne ( 8) du fluide primaire dans la branche froide modifié par un opéra- teur ( 9) de décalage temporel correspondant au temps de transit moyen r d'une molécule de fluide primaire du point de mesure de température branche froide à l'entrée du coeur et par un modèle ponctuel ( 10) de transfert ther- mique du fluide primaire dans le coeur, correspondant au temps de transit 93 d'une molécule de fluide primaire de l'entrée du coeur au centre du coeur, des moyens de calcul du signal ( 13) de l'enthalpie à l'entrée du coeur, à partir du signal ( 11) de température moyenne du fluide primaire à l'entrée du coeur, des moyens de calcul de la puissance thermique ( 15) du coeur à partir de la puissance neutronique ( 2) mesurée, au moyen d'un modèle ponctuel ( 16) de transfert thermique entre le flux neutronique et le flux thermique du flui- de primaire, des moyens de calcul ( 19) du signal ( 14) de l'élévation de l'enthalpie dans le coeur, par quotient du signal de la puissance thermique ( 15) du coeur par le signal ( 17) du débit global du fluide primaire, modifié par un modèle ponctuel ( 18) de transfert thermique du fluide primaire dans le coeur, correspondant à la moitié du temps de transit moyen j d'une molécu- le de fluide primaire pour traverser le coeur, des moyens de calcul ( 22) du signal de l'enthalpie ( 23) à la sortie du coeur, par sommation du signal ( 13) de l'enthalpie à l'entrée du coeur et du signal ( 14) de l'élévation d'enthalpie dans le coeur, des moyens de calcul du signal ( 25) de la température moyenne, pour l'en- semble des boucles de réfrigération, à la sortie du coeur, à partir du si- gnal ( 23) de l'enthalpie à la sortie du coeur, des moyens de calcul du signal ( 25) de la température moyenne du fluide primaire dans le coeur à partir des signaux ( 11) et ( 25) de température à l'entrée et à la sortie du coeur, des moyens de calcul ( 28) d'un signal ( 30) représentatif de la réactivité dans le coeur, à partir du signal ( 25) de la température moyenne dans le coeur et d'un signal ( 29) représentatif de la concentration en bore du flui- de primaire, des moyens de comparaison du signal ( 6) représentatif de la réactivité ob- tenu à partir de la puissance neutronique ( 2) et du signal ( 30) représenta- tif de la réactivité obtenu à partir de la température moyenne ( 25) dans le coeur et de la concentration ( 29) en bore du fluide primaire. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les signaux représentatifs de la réactivité sont constitués par les dérivées temporelles de la réactivité.