Brevet FR2540280A1 — publié le 19840803

Système de détection de ruptures de gaines de combustible nucléaire. La présente invention concerne un système de détec- tion de ruptures de gaines de combustible nucléaire utilisé pour surveiller l'intégrité des barres de combustible des assemblages combustibles des réacteurs nucléaires. Les réacteurs nucléaires contiennent un coeur combus- tible qui est un groupement d'assemblages combustiblesdont cha- cun comporte une pluralité de barres ou crayons de combustible. Une barre de combustible est un tube cylindrique qui contient des pastilles de combustible nucléaire Le tube sépare les pastilles de combustible du réfrigérant du réacteur qui s'écoule sur la surface du tube. L'apparition d'une fissure dans les parois du tube, c'est-à-dire de la gaine>défectuosité que l'on appelle rupture de gaine, peut permettre à des fragments résultant de la fis- sion, particulièrement des gaz, de s'échapper de la barre de combustible et peut permettre un contact réfrigérant/combustible. Il faut s'attendre à ce que les réacteurs nucléaires subissent des ruptures de gaines en dépit d'un contrôle de qua- lité rigoureux et d'une procédure d'exploitation prudente La plupart des ruptures résultent de fissurations en trous d'épin- gle dans la gaine et/ou les soudures desbouchons d'extrémité. On détecte ces rupturespar analyse du gaz de fission à l'exté- rieur du coeur (par exemple dans le gaz d'enveloppement ou d'isolement du réacteur) et par observation des précurseurs des neutrons retardés présents dans le réfrigérant du réacteur. L'importance des ruptures de gaines est fonction des trois facteurs suivants: A) sécurité: Bien qu'une rupture de gaine qui ne laisse échapper que du gaz ait une importance négligeable du point de vue de la sécurité, il pourrait arriver que la brèche dans le combustible s'élargisse suffisamment pour permettre l'entrée du réfrigérant dans la barre ou bien l'échappement de certaines particules de com- bustible Dans les réacteurs surrégénérateurs rapides à métal liquide, la réaction du sodium avec la ma- tière combustible engendre un produit qui est moins dense que le combustible, ce qui entraîne une augmen- tation du volume et parfois un accroissement des di- mensions de la brèche La question de la sécurité dans le cas d'une augmentation du volume du combustible ou de l'échappement du combustible se pose en raison d'une réduction possible du transfert de chaleur à partir de la barre de combustible ou de la possibilité éloignée d'une accumulation des particules au point de former un blocage d'écoulement générateur de chaleur à l'intérieur du coeur. (B) Entretien de l'installation:une certaine partie de la matière combustible pénétrant dans le réfrigérant pourrait être transportée en un point éloigné à partir du coeur et pourrait se déposer dans n'impor- te quelle partie de la tuyauterie, des échangeurs de chaleur ou des pompes Ces dépôts pourraient compli- quer les opérations d'entretien dans et autour des composants. (C) Economies: du fait du caractère inévitable des ruptu- res de gaine, on améliore considérablement la disponi- bilité du réacteur en faisant fonctionner celui-ci avec un nombre limité d'éléments rompus Si, par con- séquent, on peut résoudre les questions de sécurité et d'entretien, on est fortement incité à faire fonc- tionner le réacteur même si certaines des barres de combustible présentent une rupture de gaine. Un des problèmes auxquels est confronté l'instrumen- tation du réacteur est la détection et la surveillance des rup- tures de gaines d'une manière telle que le fonctionnement sûr du réacteur ne soit pas mis en doute On peut résoudre ce problème en faisant en sorte que l'on soit en mesure d'observer les varia- tions des ruptures de gainesde telle sorte qu'une forte augmen- tation de l'exposition du combustible au réfrigérant soit annon- cée de façon claire et sûre Une rupture de gaine relativement isolée et aléatoire dans le combustible nucléaire est inoffen- 2540280 O sive S'il se produit une exposition du combustible et un échappement de combustible, on peut imaginer un mode possible de propagation de la rupture bien que l'expérience habituelle indique que les ruptures de gainebrestent des évènementslocalisés. Les analyses indiquent que l'on peut tolérer les petits blocages générateurs de chaleur sans que cela compzcmette la sécurité. Si on peut détecter de façon sûre le tels blocages, on peut assurer alors la sécurité du réacteur en empêchant l'augmenta- tion des blocages au-delà des limites tolérables. Par conséquent, le principal objet de la présente in- vention est de fournir un procédé pour la détection des ruptures de gaines,ce procédé étant capable d'effectuer une distinction entre les ruptures importantes et les petites fuites qui se tra- duisent uniquement par une fuite des gaz de fission. Compte tenu de cet-objet, la présente invention réside dans un système pour la détection des ruptures de gaineédans un réacteur nucléaire comportant un circuit d'écoulement pour une partie du réfrigérant dudit réacteur après son passage dans le coeur de ce dernier et des détecteurs de radiatiors disposés le long du circuit d'écoulement pour détecter la radioactivité à l'intérieur dudit circuit d'écoulement, caractérisé par le fait que: un filtre est contenu dans une première partie dudit cir- cuit d'écoulement, ledit filtre étant adapté pour retenir les particules de matière qui peuvent être contenues dans le réfri- gérant sortant dudit coeur; un premier détecteur de radiations est disposé en juxtaposition avec ladite première partie dudit circuit; et un second détecteur de radiationsest disposé en juxtaposition avec une seconde partie dudit circuit, ladite seconde partie se trouvant en aval de ladite première partie. Deux détecteurs de neutrons retardés sont placés près d'un côté du circuit de réfrigérant du réacteur après le passa- ge du réfrigérant à travers le coeur ducombustible nucléaire Le filtre est disposé dans le courant de réfrigérant en face du détecteur d'amont Les signaux provenant des deux détecteurs sont similaires uniquement lorsque des produits de fission émettant des neutrons retardés se trouvent en solution dans le réfrigérant, mais lorsque des particules contenant les émetteurs de neutrons retardés (D N) sont également présents par suite de l'entraînement, par effet de balayage du réfrigérant, de cette matière en raison d'une rupture de gaine importante, les particules sont retenues par le filtre se trouvant dans le champ d'action du détecteur d'amont et il existe une différence importante entre les signaux des deux détecteursce qui indique une rupture de gaine importante appelée "entraînement par ef- fet de balayage". On va maintenant décrire la présente invention en se référant à la figure unique du dessin annexé qui représente une vue schématique du système de détection selon la présente invention. En se référant à cette figure, on voit que l'on y a représenté un réacteur nucléaire comportant un coeur 2 à tra- vers lequel passe un écoulement 3 de réfrigérant Une partie de cet écoulement est détourné du courant de réfrigérant prin- cipal au point 4 et est amené à passer devant deux détecteurs et 6 de neutrons retardés Le détecteur 5 d'amont se trouve en face d'un filtre 7 tandis que le détecteur 6 d'aval se trouve en face d'une région de l'écoulement de réfrigérant ne comportant aucun filtre. Les particules de matière, qui se trouvent dans le réfri- gérant uniquement en cas de rupture de gaine importante, sont retenues sur la surface 8 du filtre 7, ce qui a pour effet que le détecteur 5 d'amont émet une sortie différente de celle du détecteur 6. Les produits de fission solubles passent généralement à travers le filtre 7. Un espace ou volume 9 du filtre 7 peut être prévu pour l'accumulation des gaz de fission et constitue un endroit commode pour prélever et obtenir des échantillons de ces gaz à d'autres fins Une canalisation 10 de prélèvement de gaz est représentée sur la figure. Le filtre 7 est représenté disposé verticalement sur la figure étant donné que cette configuration, en même temps que des petits trous de filtre de 10 jpm de diamètre, augmente l'ac- cumulation du gaz dans l'espace 9 Le filtre 7 mouillé par le réfrigérant se recouvre de gaz sur une certaine partie de sa surface,ce qui entraîne un dégagement de gaz à partir de l'écoulement du réfrigérant. Comme représenté sur la figure, le réfrigérant détour- né peut passer à travers des espaces ou volumes plus grands, appelés étages Il et 12, se trouvanten face respectivement des détecteurs 5 et 6. Un filtre 7 en acier inoxydable s'est révélé extrême- ment efficace pour retenir les particules de combustible Un effluent d'essai ( 18 1/min) a été dirigé à travers le filtre présentant une taille nominale de pores de 10 jm La masse du combustible arrivant sur le filtre (quelques mg) a été retenue sur celui-ci Cet écoulement de 18 1/min a été maintenu avec environ 0,07 hg/cm 2 a P. Lorsque les précurseurs de neutrons retardés (DN) arrivent au premier étage 11, le temps de transit à travers cet étage il des espèces présentes dans la solution est égal au temps de résidence du réfrigérant mais les particules de combustible sont retenues à proximité du détecteur 5,ce qui permet une désintégration complète de tous précurseurs DN qu'elles peuvent contenir La concentration des précurseurs dans le second étage 12 se trouve réduite par la désintégration pendant le transit à partir du premier étage et par l'élimination de la partie qui était con-tenue dans les particules captées par le filtre 7- En cas d'absence de particules, les deux étages ont des signaux DN comparables Si, toutefois, les particules trans- portent même tout juste une faible fraction des précurseurs DN, le signal du détecteur 5 prend une valeur sensiblement plus grande que celle du signal du détecteur 6 Une comparaison des signaux donne alors une mesure sensible de l'entraînement du combustible par balayage La mesure serait particulièrement utile pour détecter un entraînement brusque du combustible par balayage qui pourrait facilement passer inaperçu avec les sys- tèmes de détection DN classiques. ANALYSE On va supposer qu'une espèce de précurseursde neutrons retardés s'échappe de la barre dont la gaine est rompue au débit de N atomes/s et se mélange avec le courant de réfrigérant (M 1 (cm 3/s) Un courant M 2 (cm 3/s) d'échantillonnage prélève alors une certaine fraction (m 2/m 1) (M 2/M 1) des atomes libérés à l'entrée du premier étage détecteur avec un retard global t O. Dans le premier étage détecteur 11 le filtre présente un rende- ment E en ce qui concerne d'extraction des particules de com- bustible mais un rendement O en ce qui concerne l'enlèvement des espèces dans la solution On va supposerqu'une fraction f des précurseurs DN est contenue dans les particules Le temps de transit à travers l'étage 11 l pour les espèces présentes dans la solution est t 1, ces espèces étant ensuite transportées à travers l'étage 12 avec un temps de transit t 2. On va supposer que le temps de transit entre les étages est t 3. Si = la constante de désintégration pour une espèce donnée de précurseurs, la vitesse ou débit auxquels cette espèce d'atomes précurseurs arrive alors à l'étage Il est alors: * M 2 -It N N e o i M 1 la vitesse d'accumulation du précurseur dans l'étage il est: d N 1 * -= N N 1 XN 1 o: N 1 = atomes de précurseurs dans l'étage il N =nombre d'atomes/s de précurseurs quittant l'étage il à l'état stable: d N = O dt "T, = t 11N = ( 1 ( 1 Ef) - De même pour le second étage 12 à l'état stable: * o -It I N 2 N 2 = No e t 3 ( 1 e t 2) N 2 = 2 2 = 1 Le rapport des vitesses d'émission de neutrons aux deux étages est alors: IN 1 1e -Xtl + Efzi l IN X(-t î+Efj t N 2 = (l E f)e(tl+t 3) l_ e-t 2) Premier exemple de calcul: pour une demi-vie de 20 secondes, A = 0,03465 S -1, t 1 = t 2 = 2 s, t 3 = I s. En l'absence de particules f= O k N N 1 = e tl 1 = e(t 1 + t 3) = 1 109 IN 2 Dans ce cas, le résultat d'activitéssimilairesne diffère que par suite de la désintégration au cours du transit. Second exemple de calcul: Si 10 % du précurseur sont contenus dans les particules et si le rendement du filtre est de 90 %, f = 0,1 E = 0,9 N 1 = 4, 08 IN 2 si f = 14 66 La différence est ici importantece qui indique un entraînement de combustible par balayage. Dans l'analyse ci-dessus, on a donné des calculs o le rapport des signaux DN des deux détecteurs DN ont été calculés en supposant un temps de résidence de 2 secondes pour le réfri- gérant se trouvant dans le champ d'action de chaque détecteur. En réalité,dans la pratique,le temps de résidence typique peut être plus près de 0,2 seconde Cette réduction du temps de rési- dence augmente directement la différence relative des signaux entre les deux détecteurs pour une fraction donnée de combusti- -40280 ble entraînée par balayage Dans le cas d'une conception soi- gnée, le temps de résidence du réfrigérant pourrait être réduit probablement jusqu'à a 0,1 s Ceci augmenterait encore cette différence. S On va utiliser une analyse qui compare les signaux DN que l'on obtiendrait avec ou sans le filtre en place pour illustrer l'importance de ce filtre. Une comparaison des signaux DN relatifs auxquels il faut s'attendre pour une vitesse ou débit donné de libération de particules de combustible en l'absence d'un filtre et avec la présence d'un recul par rapport a 1 cm 2 de surface de combus- tible peut être expriméecomme suit: R = M () Rs l os R = signal DN dû aux particules P R = signal DN dû au recul des précurseurs sur lcm 2 s de combustible M = vitesse ou débit de libération des particules de combustible exprimé comme une fraction de "volume de recul" dégagée par seconde (s -1) (volume de recul 1/4 J; = Longueur de recul; a/4 c 1,5 x 10 4 cm 3/cm 2) 7 = Constante de désintégration pour une émission DN par seconde(s 1) Cette expression montre que pour qu'un signal prove- nant des particules en l'absence d'un filtre soit égal à celui d'une source de 1 cm 2, il faut que la vitesse ou débit de balaya- ge soit: M 7 Pour le précurseur DN 137 Ide vie plus longue, )L= 0,028 s. ( 0,0298)( 1,5 x 10-4 cm 3) 4,2 x 10-6 cm 3/s R =Pl 10 qm/ncm 3 M = 42 pgm/s Si on compare le signal DN que l'on peut escompter d'un détecteur muni d'un filtre avec le signal d'un détecteur similaire sans filtre, on obtient pour une vitesse ou débit donné d'entraînement de combustible par balayage: R _Xl f: 1 ( 2) (Ze N=) f Fpour R Fp signal DN provenant de particules en présence d'un filtre S Rp =signal DN provenant de particules en l'absence de filtre f = rendement du filtre (de façon typique 1 f d 0,8) = temps de résidence du fluide dans le champ d'action du détecteur (seconde) = V (V = volume du fluide dans le champ d'action du détecteur; V = débit devant le détecteur). Cette équation montre que le signal provenant des précurseurs DN contenus dans les particules se trouve augmenté par l'utilisation d'un filtre de façon inversement proportiornnelle au temps de résidence du fluide et de la constante de désintégra- tion Ceci indique qu'il faudrait concevoir le système avec un débit de réfrigérant relativement élevé, un volume de réfrigé- rant minimal près des détecteurs et un certain retard dans le temps d'acheminement entre le coeur et le détecteur pour augmen- ter l'importance relative des précurseur DN de vie plus longue, c'est-à-dire de ( A plus petit). Dans le cas du 137 I, = 0,028 s 1 et t= 0,1 s R Fp f (f) fois l'accroissement du signal DN. = = == 35 '1 -, ( 028)( 0,1) Le taux de perte de masse qui donnerait un signal DN égal à un recul par rapport à 1 cm 2 serait: 6 3 -8 3 = 4,2 x 10 cm /sec _ 1,17 x O 1 cm 357 (f) f S O => Si = 10 gm/cm; il = O ni 17 ug/ Un temps de transit de z 30 S entre le coeur et le premier détecteur conviendrait pour Dû temps de trajet approximatif prévu avec des conceptions ordinai- res Bien qu'un long temps de transit jusqu'auxdétecteul et un bref temps de résidence du fluide au voisinage des détecteurs ne réduisent pas la valeur absolue du signal DN, ils augmentent considérablement la distinction entre les signaux provenant des précurseurs dans les particules. Le filtre augmente considérablement le rendement d'un détecteur DN pour particules de combustible par rapport au cas o un filtre est absent De plus, du fait que le système surveille la variation différentielle dans le signal DN prove- nant des deux détecteurs en série, toutes variations apparais- sant dans le signal DN par suite d'un variation de la concen- tration des précurseurs dans la solution sont compensées et le signal différentiel doit fournir une mesure encore plus sensi- * 10 ble de l'entraînement de combustible par balayage que celle qu'il serait possible d'obtenir avec un sel détecteur muni d'un filtre. REVENDICATIONS 1 Système pour la détection de ruptures de gaines dans un réacteur nucléaire comportant un circuit d'écoulement ( 4) pour une partie du réfrigérant dudit réacteur ( 1) après son passage à travers le coeur de ce dernier et des détecteurs ( 5,6) de radiations disposés le long dudit circuit d'écoulement ( 4) pour détecter la radioactivité à l'intérieur dudit circuit d'écoulement ( 4), caractérisé par le fait que: un filtre ( 7) est disposé à l'intérieur d'une première partie ( 11) dudit cir- cuit d'écoulement, ledit filtre ( 7) étant adapté pour retenir les particules de matière qui pourraient être contenues dans le réfrigérant sortant dudit coeur ( 2); un premier détecteur ( 5) de radiations est disposé en juxtaposition avec ladite première partie ( 11) dudit circuit ( 4), et un second détecteur ( 6) de radiations est disposé en juxtaposition avec une seconde partie ( 12) dudit circuit, ladite seconde partie ( 12) se trouvant en aval de ladite première partie ( 11). 2 Système suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits premier et second détecteurs ( 5,6) de radiations sont des détecteurs de neutrons retardés. 3 Système suivant la revendication 1 ou 2, caracté- risé par le fait que ledit filtre ( 7) est un filtre en acier inoxydable. 4 Système suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé par le fait que ledit filtre ( 7) comporte des ouvertures d'environ 10 pm de diamètre et entraîne une chute de pression d'environ 7000 Pa( 1 PSI). Système suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que ledit filtre ( 7) est disposé verticalement dans ladite première région ( 11) qui comprend un espace ou volume ( 9) en amont dudit filtre ( 7) pour l'accumula- tion des gaz qui ne passent pas à travers ledit filtre ( 7); et ladite première région ( 11) comporte un moyen de décharge ( 10) pour évacuer lesdits gaz dudit espace ou volume ( 9).