Brevet FR2536572A1 — publié le 19840525

I 2556572 Procédé et dispositif de mesure de la puissance thermique locale dans un réacteur nucléaire La présente invention concerne le domaine de la mesure de la puissance thermique-dégagée localement par les crayons de combustible dans un réacteur nucléaire Elle con- cerne plus particuli 6 rement la mesure de la quantité de chaleur d 6 gage par unité de longueur des crayons, quantité qui varle subvant l'emplacement considéré le long du crayon de combustible et qui;vrarie également d'un crayon de combus: I 0 tâble 6 un autre. On connaît déjà (FR-A-2 420 827) un procédé de mesure de puissance thermique dégagée localeienv en un emplace- men; du ctoeur dun réacteur nuclëaire, procédâ suivant lequei C}esure la tension au X bornes d'un couple the o-éIectrique cd d 1 'tection ayant une première jonction portee à une tempè- r-tsr-e de rférence, diretement 18 à la température du rgérig 6 rant du réacteur audit emplacement lors du fonctionne- men- stabilisé, et une deuxi'me jonctionplacée de façon à 8 tmer porter& la %empérature d'un corps absorbant les rayon e ẻnts gamma audit emplacemen%. On effectue ainsi-une mesure par thermocouple différentiel soumis aux gradients de température existant entre une masse absorbant le rayonnement gamma, donc portée .,ue %empérature qui dépend du flux gamma et de la puissance locale qui lui est directement liée, et un puits de chaleur à une tenpérature qui, en régime permanent stabilisé, est constante Mais, au cours des transitoires normaux ou acciden- tels du fonctionnement du réacteur, la température de la jonction de référence évolue beaucoup plus rapidement que la %empérature de la jonction chaude -En conséquence, le signal de sortie obtenu provient de la superposition d'une composante représentant le flu) gamma absorbé et d'une composante transitoire ayant pour origine les variations de température du réfrigérant du réacteuro. La présente invention vise notamment à écarter cette limitation Dans ce but, elle propose un procédé suivant lequel on mesure également le signal électrique fourni par 2 - un couple thermo-électrique supplémentaire ayant une première jonction commune avec la première jonction du couple de dé- tection et une deuxième jonction qui est maintenue à une température de référence hors du réacteur; et on corrige les indications fournies par le couple thermo-électrique de détection a partir de celles fournies par le couple thermroélectrique supplémentaire pendant les périodes de fonctionnement transitoire. L'invention propose également un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé défini ci-dessus Ce disposi- tif de mesure comprend un canal pénétrant dans le coeur du reacteur a partir de i extérieur et contenant cn corps absorba) les rayoneï,eîeits gamma disposé à l'emplacemente de iesure e% associé à un thermocouple de mesure dont une pre- I; mire L$,c on es-' -nr;e à u i e temp 6 rature repr ésentati-,e de ce Ilo du r ?'f ëgern% diu réac-teur et une seconde joac-i on est en icontac' thermiqtv ^"e c le corps absorbant les rayon- nemen Ist A cet ensemble, du genre couramment dénommé tthermecmètre g:ma", es-t associé un couple thermo-électrique suppayentaire ayant une première jonction commune avec celle du thermocouple de mesure et une seconde jonction s 5 tuée i Zexterieur du réacteur et portée à une température de référenceo Les signaux de sortie des deux thermocoup Ies sont apl J hqués à des moyens permettant de corriger automa- tiquemen Zes indications fournies par le premier thermo- couple en fonction des variations du signal de sortie du second thermocoupleo Les deux thermocouples peuvent être réalisés et re 3 iés & l'extérieur de façon simple en inversant la disposition décrite, dans le cas particulier d'un thermomètre gamma mobile, dans le document FR-A-2 458 8780 Les moyens de correction peuvent avoir une constitution analogique ou numérique Dans le second cas, ils peuvent en particulier comporter un microprocesseur Dans les deux cas, ils déterminent la correction a partir de la fonction de transfert liant le signal d'erreur à la température et à sa loi de variationo Cette fonction de transfert peut être déterminée in situ 3 - en munissant le dispositif de moyens de chauffage commandés, qui seront gnééralement constitués par une résistance é 11 ec- trique dont la puissance dissipée est communiquée à l'ensem- ble des jonctionso On a déjà proposé (FR-A-2 470 381) de munir un thermomètre gamma de tels moyens de chauffage, mais uniquement dans un but de calibrage en régime permanents Suivant la présente invention au contraire, les moyens de chauffage associés aux thermocouples permettent non seule- ment de déterminer la sensibilité du thermocouple de mesure en régime permanent, mais aussi de déterminer la fonction de transfert des deux thermocouples, en modifiant la puissance dissipée par les moyens de chauffage de façon brusque et suivant une loi prédéterminée, par exemple en appliquant un échelon de puissance (ou une excitation d'un autre type: excitation pseudoaléatoire, excitation sinusoïdale). De plus, en munissant le dispositif suivant l'invention de moyens de chauffage commandés, on peut surveiller séparé- ment la jonction commune et la seconde jonction du premier thermrocouple et déceler toute variation accidentelle de carac- tristique On peut enfin surveiller les transferts thermi- ques entre les jonctions et l'environnement et déceler ai'nsi ces variations, dues par exemple a une baisse de niveau de réfrigérant dans le réacteur. L'invention est susceptible de nombreux modes de réali- sation possibles Le dispositif peut notamment comporter, dans un même canal pénétrant dans le coeur et parallèle aux cra- yons de combustible, plusieurs ensembles de mesure ayant chacun un thermocouple de mesure et un thermocouple supplé- mentaire Le canal peut être constitué par une paroi balayée extérieurement par le réfrigérant, contre laquelle est pla- qué le corps absorbant, de forme tubulaire, sauf en une zone au droit de laquelle est placée la seconde jonction du ther- mocouple de mesure. Dans un autre mode de réalisation particulièrement -35 utilisable dans les réacteurs à eau sous pression, le corps absorbant les rayonnements gamma est balayé sur sa surface 4 - externe par le réfrigérant et constitue le canal La pre- mière jonction est alors placée dans une zone o la paroi du corps est localement amincie. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs La description se réfère aulx dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: la Figure 1 est un schéma de principe montrant les parties matérielles d'un dispositif en coupe longitudinale, ainsi que les éléments essentiels des circuits électroniques associés, la Figure 2 est une vue schématique en coupe suivant la ligne II-Il de la Figure 1, les Figures 3, 4 et 5 sont des organigrammes indi- quant le mode d'estimation en ligne des constantes de temps -c et 9 ; le calcul des températures et flux vrais D et un sous programme de calcul de (tit) ou T (ti)D la Figure 6 est un graphique montrant la loi de variation de température des jonctions en fonction du temps (courbes en trait plein) en réponse à l'application d'un échelon de puissance (courbe en tirets). Le dispositif montré en figures 1 et 2, utilisable dans un réacteur à eau sous pression, comporte un tube vertical , dont la surface externe est balayée par la circulation 1 S de réfrigérant, occupé par un corps cylindrique allongé 12 en matériau absorbant le rayonnement gamma (acier ino- xydable par exemple) La chaleur dissipée dans le corps cylindrique 12 par absorption du rayonnement gamma s'écoule vers le tube 10 dont la température dépend fortement de celle du réfrigérant et plus faiblement du flux gamma Le contact thermique entre le corps cylindrique 12 et le tube doit être suffisamment bon pour ne pas se traduire par une différence de température appréciable entre la surface externe du corps et le tube. Les Figures 1 et 2 montrent un évidement annulaire 13 ménagé dans le corps 12, constituant une brèche sur le - trajet d'écoulement de la chaleur du corps 12 vers le tube o Par suite de cette brèche, l'écoulement thermique, radial dans la majeure partie de la longueur du corps 12, est sensi- blement axial dans la partie médiane de la région rétrécie du corps En mesurant la différence de température A l'intérieur du corps 12 entre un emplacement situé au milieu de la portion ré%récie et un emilacement situé hors de cette portion rétré- cie, miais à proximité, on peut déterminer le flux thermique qui s'écoule vers le tube 10 et la puissance dissipée par unité de longueur, La différence de température est mesurée a l'aide d'un thermocouple de wmesure situé dans un trou central 14 du corps 12 o Ce thermocouple comprend une première jonction (censtituant la jonction froide) portée à une température voisine de celle du réfrigérant mais néanmoins légèrement rereersentative du flux gamma et une seconde jonction, cons- titu Eant jonction chaude, située à mi-longueur de la région rétrécie Ces jonctions peuvent être réalisées de la façon suivante: deux fils isolés en un métal constituant un pre- mier composant d'un couple thermoélectrique (Chromiel par exemple) 17 et 18 sont amenés depuis l'extérieur jusqu'aux jonctions 15 et 160 Un tronçon 19 d'un métal constituant l'autre composant du couple est relié par soudure aux fils 17 et 18, aux jonctions 15 et 16 o On constitue ainsi un thermocouple différentiel qui peut être relié, hors du réacteur, a un amplificateur diffé- rentiel 20 Les jonctions et les fils sont protégés par un doigt de gant 21 rempli d'un isolant électrique minéral pulvérulent résistant au rayonnement dans le coeu:r du, réac- teur. En plus de ce dispositif, l'invention comporte un thermocouple supplémentaire constitué par le fit 17 (en chro- mel par exemple), le tronçon 19 (en alumel par exemple) et un fil de sortie supplémentaire 22 constitué du même mat 6- riau que le tronçon 19 Le thermocouple est complété par une jonction 23 portée à une température de référence fixe -6 - et connue Cette jonction 23 pourra être située hors du réacteur Un second amplificateur différentiel 24 relié au fil 17 et à un fil 25 de retour à partir de la jonction 23 fournit un signal de sortie représentatif de la température de la jonction 15, c'est-à-dire de la température du réfri- gérant du r 4 acteur en régime stabilisé de fonctionnement et du flux gamma à l'instant considéréo Lorsque les conditions de fonctionnement du réacteur subissent une modification qui se traduit par un transitoire rapide de température, le thermocouple différentiel compor- tant les jonctions I 5 et 16 fournit un signal de sortie qui est entaché d'un signa Il d'erreur A condition de connaître la fonction de transfert entre température et signal d'erreur, ce signal d'erreur peut être calculé et utilisé pour corri- ger la mesure gamwao Cette opération peut être effectue- aetomati quement dians un organe de calcul 35 comportant par exemple un microprocesseur et une mémoire morte de stockage de le a fonction de transfert, soit sous forme d'une table de correspondance, soit sous forme d'un programme de calculo On peut ainsi obtenir sur une sortie 26 un signal représentatif' du flux gamma. L'organe de calcul doit permettre de calculer la température vraie T du réfrigérant et le flux gamma vrai q à partir des signaux délivrés par les amplificateurs 20 et 24: fux gamma brut b et température réfrigérant brut Tb-. T Les relations liant, T, %b' Tb sont de la forme: ?b P \ " 1 12 (P) 1 (( Tb(p): \H 21 (p) H 22 (P) -(p) ou ( -P Hl =(P H 12 (P)/ \b(P) i :(p) j H 21 (P) H 22 (P)) ( 2) \T(p) \H 21 (p) H 22 (P)/ b(p) p désignant l'opérateur de Laplace. 7 - Les fonctions Hij (p) sont par exemple de la forme Ai A 2 l H 11 (P) = K l+ 6 -+ J A H 21 (p) = K 2 1 + 22 P H 12 (P)= l 1 17 + Tc -1 P '1 +,2 P H 22 (p) = 1 W+ 2 P û -1 c et z 2 sont -les constantes de temps des parties 13 et 12 respectivement. L'équation matricielle ( 2) peut aussi s'écrire sous la forme ? O (v p) (Ho 11 (P) _H' 2 (p)) ?b(P) T (P) Hi 21 (P) H'22 (P) Tb(P) o les H'ij (p) sont calculés a partir de H 11 (p), H 12 (P), H 21 (p) et H 22 (P) Une organisation possible du calcul est donnée par les organigrammes des figures 3, 4 et 5 La figure 4 donne le mode général de calcul des températures et flux vrais T et à partir des valeurs brutes Qb et Tb; la figure 5 détaille le sous-programme de calcul de v (le sous-programme de calcul de T étant similaire) Enfin, la figure 3 donne un mode d'estimation en ligne des constantes de temps Ad et 2 qui interviennent dans le calcul de v et T, L'organe de calcul 35 peut être prévu pour fournir également, sur une seconde sortie 27, un signal représenta- tif de la température du réfrigéranto La détermination des fonctions de transfert H'ij peut 8 - s'effectuer alors que le dispositif est en place Pour cela, il suffit de munir le dispositif de moyens de chauffage, représentés sur les figures 1 et 2 comme constitués par une résistance électrique 28 noyée dans une masse de matériau isolant électrique pulvérulent et enfermée dans une gaine de protection 29 Cette résistance est associée à un circuit d'alimentation schématisé sous forme d'une source de courant et d'un interrupteur 30. -La résistance de chauffage 28 permet de déterminer la sensibilité du thermocouple différentiel comprenant les jonctions 15 et 16, comme cela a déjà été exposé dans le document FR-A-2 470 381 Plais on peut également déterminer la fonction de transfert non seulement du thermocouple diffé- rentiel de mesure, mais aussi du thermocouple supplémentaire. Pour cela, on peut notamment appliquer à la résistance 28 un échelon de puissance, comme indiqué en tirets sur la figure 3 L'évolution des signaux fournis par les amplifica- teurs différentiels 20 et 24 a alors respectivement l'allure montrée en 20 a et 24 a sur la figure 6 L'analyse de ces courbes fournit la fonction de transfert des deux thermo- couples On peut également, en effectuant dans un circuit soustracteur 31 la différence des signaux provenant des amplificateurs 20 et 24, obtenir en 32 un signal représenta- tif de la température de la soudure chaude Enfin, à condi- tion de maintenir l'échelon de tension suffisamment longtemps pour arriver au régime stabilisé, on détermine la sensibi- lité des deux thermocouples au cours de la même opération. Le dispositif qui vient d'être décrit permet de plus de détecter les variations des conditions de transfert ther- mique entre le corps 12 et l'environnement, c'est-à-dire le réfrigérant du réacteur En cas de défaut de fonctionnement se traduisant par une baisse de la surface libre du réfri- gérant qui amène celle-ci au-dessous de la jonction 15 (par exemple au niveau N sur la figure 1), la région du corps 12 située au-dessus du réfrigérant devient chaude par rapport à la région placée au-dessous; En conséquence, le -9 signal fourni par l'amplificateur différentiel 20 s'inverse, La sensibilité d'un tel dispositif d'alarme en cas de baisse du niveau de réfrigérant peut être accrue en utilisant la résistance chauffante 28 En effet, la différence de temp 6- rature entre les deux jonctions 15 et 16 alors que le réfri- gérant est au niveau N sera augmentée en cas d'apport de chaleur par la résistance 28, s'ajoutant a I'apport de cha- leur par l'absorption de rayonnements gamma De plus, la mesure du temps de réponse global ou des constantes de temps -t e' 2 permet de détecter que le niveau N est en dessous de ic jonction 16 Enfin, la présence du thermocouple supplé- men>aire permet également de détecter une baisse de la sur- face libre du réfrigérant qui l'amène au-dessous du niveau de la jonction 16 par deux méthodes complémentaires: (a) par l'amplitude de l'échauffement produit par un échelon de chaleur, (b) par la mesure de la constante de temps assoi cee, Toutes ces fonctions peuvent être simultanément remplies par 1 l'organe de calcul 25, qui peut comporter, d'une part, 1 organe de filtrage dynamique permettant de fournir une valeur corrigée du flux gamma et de la température du réfri- gérant par calcul à partir de la fonction de transfert, d'autre part, des moyens de détermination automatique de la sensibilité des thermocouples et de leur fonction de trans- fert, éventuellement par commande a intervalles réguliers de 1 'application d'un échelon de tension, comme indiqué schématiquement en 31 sur la figure 1. Le dispositif est susceptible de nombreuses variantes de réalisation En particulier, plusieurs ensembles compre- nant chacun un thermocouple de mesure et un thermocouple supplémentaire peuvent être placés dans le trou 14, de façon. à effectuer des mesures à des niveaux différents La gaine 32 d'un tel ensemble supplémentaire a été montrée schémati- quement sur les figures 1 et 2. - REVENDICATIONS 1 Procédé de mesure de la puissance thermique dégagée localement en un emplacement du coeur d'un réacteur nuclé- aire, suivant lequel on mesure la tension fournie par un thermocouple de détection ( 15, 16) ayant une première jonc- tion ( 15) portée à une température de référence, directement liée à la température du réfrigérant du réacteur audit emplacement lors du fonctionnement stabilisé du réacteur, et une deuxième jonction ( 16) placée de façon à être portée 0 à la température d'un corps ( 12) absorbant les rayonnements gamma audit emplacement, caractérisé en ce qu'on mesure également le signal électrique fourni par un thermiocouple supplémentaire ayant une première jonction ( 15) commune avec la première jonction du thermnocouple de détection et une deuxième jonction ( 23) qui est maintenue a une tempéra- ture de référence hors du réacteur, et en ce qu'on corrige les indications fournies par le thermocouple de détection à partir de celles fournies par le thermocouple supplémen- taire pendant les périodes de fonctionnement transitoire. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on détermine la fonction de transfert de l'ensemble cons- titué par le thermocouple de détection et par ledit corps absorbant en analysant leur réponse dynamique à une modifi- cation brutale et déterminée de la puissance appliquée à un é 61 ment ( 28) de chauffage des jonctions pendant que le réacteur est en régime permanent. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on détermine également la fonction de transfert et la sensibilité du thermocouple supplémentaire a partir de la réponse dynamique de ce thermocouple supplémentaire a une modification brutale et déterminée de la puissance appliquée. 4 Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la variation brutale de la puissance appliquée est constituée par l'application d'un échelon de puissance thermique. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on analyse les signaux de sortie des deux thermocouples pour détecter les modifi- 11 - cations des conditions de transfert thermique avec le réfrigérant du réacteur, dues par exemple à une baisse de la surface libre du réfrigérant. 6 Dispositif de mesure de la puissance thermique dégagée localement en un emplacement du coeur d'un réacteur nucléaire, comprenant un canal ménagé' dans le coeur du réac teur a partir de l'extérieur et contenant un corps ( 12) absorbant les rayonnements gamma, disposé à Iemplacement de mesure et associé à un thermocouple de mesure dont une pre- miêre jonction ( 15) est placée de façon à être portée a une température représentative pour l'essentiel de celle du réfrigérant du réacteur et légèrement affectée par le flux gamma et une seconde jonction ( 16) est placée pour être por- tée a une température représentative de celle du corps absorbant les rayonnements, caractérisé en ce qu'il comprend un thermocouple supplémentaire ayant une première jonction ( 15) commune avec celle du thermocouple de mesure et une- seconde jonction ( 23) portée à une température de référence, les signaux de sortie des deux thermocouples étant appliqués a des moyens ( 20, 24, 35) permettant de corriger automatique- ment les indications fournies par le thermocouple de mesure en fonction des variations du signal de sortie du thermo- couple supplémentaire.