Brevet FR2551205A1 — publié le 19850301

La présente invention concerne un appareil de détection du niveau et de propriétés d'un fluide ainsi qu'un procédé de montage d'un tel appareil. Au cours de l'accident de la centrale nu5 cléaire de Three Mile Island, le niveau du fluide de refroidissement a été trop faible dans la cuve du réacteur si bien que le refroidissement du coeur n'a pas été suffisant, et ces phénomènes n'ont pas été reconnus pendant une longue période. On s'est rendu compte immédiatement qu'il fallait mettre au point et introduire dans tous les réacteurs à eau légère des instruments perfectionnés, notamment des capteurs du niveau du liquide dans la cuve du réacteur Le problème posé était la détermination d'un capteur fiable et pré15 cis et d'un procédé d'introduction du capteur dans les réacteurs existants, ainsi que l'incorporation du capteur dans de nouveaux réacteurs. On a tenté d'utiliser un appareil à pression différentielle pour la détection du niveau dans une cuve de 20 réacteur, mais il s'est révélé peu fiable et imprécis. Un second procédé utilisé a compris la mise en place de capteur de niveau dans l'ensemble de mise sous pression du réacteur (relié à la cuve pressurisée du réacteur), et la déduction, quelque peu ambiguë, du faitque la cuve du réacteur avait son volume complet de fluide de refroidissement. Ce procédé a été utilisé à la centrale de Three Mile Island. L'appareil de mise sous pression est une seconde cuve reliée à la cuve du réacteur, à proximité du réacteur et au-dessus de celui-ci Etant donné l'inversion de la différence de 30 température, l'appareil de mise sous pression étai U plein d'eau et la cuve du réacteur avait une grosse bulle piégée à l'intérieur et formant un obstacle Comme les instruments de l'appareil de mise sous pression indiquaient que l'appareil était plein, l'opérateur a arrêté les pompes d'urgence qui étaient installées afin que le réacteur reste plein de fluide de refroidissement, Cette opération a finalement conduit au problème qui s'est posé car le réacteur était sec, les barreaux combustibles ayant présenté des défaillances dues auxtempératures élevées. Un troisième procédé suggéré comprend la mise en oeuvre de thermocouples chauffés, mais ces derniers ne lisent qu'un état sec ou humide dans la cuve du réacteur audessus des ensembles comprenant les barreaux combustibles et ne donnent pas une détection ou une lecture de la température du fluide de refroidissement En outre, étant donné les imprécisions dues aux thermocouples, il faut que les quantités de chaleur appliquées soient excessives pour que la température différentielle soit toujours positive, dans toutes les conditions de fonctionnement du réacteur Lorsque le capteur est "sec", l'excès de chaleur, s'il n'est pas réduit, peut fondre le dispositif de chauffage et in15 diquer que le capteur est "humide" alors qu'il est en fait sec et que le dispositif de chauffage est en panne. L'invention concerne un appareil de détection qui détermine avec précision l'état humide-sec et/ou les propriétés de refroidissement et les conditions régnant 20 dans une cuve contenant un fluide. Elle concerne aussi un tel appareil de détection qui détermine avec précision l'état humide-sec et/ou les conditions de refroidissement dans une cuve de réacteur nucléaire, à l'intérieur des groupes de barreaux combus25 tibles et audessus de ceux-ci. Elle concerne aussi un arrangement de plusieurs capteurs formant une seule chaîne si bien que plusieurs points peuvent être détectés dans un réacteur nucléaire avec un nombre minimal de tubes de guidage utilisés. Elle concerne aussi la lecture de la température du fluide de refroidissement en différents points de la cuve du réacteur. Elle concerne aussi un procédé d'introduction d'une chaine de plusieurs capteurs dans des tubes de gui35 dage d'instruments de cuvesde réacteursexistants. Elle concerne aussi une chaîne de capteurs permettant le passage de liquide dans les tubes de guidage des instruments afin que l'intérieur des tubes reflète le niveau du liquide à l'extérieur des tubes et/ou ne nécessite pas d'écart par rapport aux propriétés thermohydrauliques actuelles des tubes de guidage constitués présentement. Elle concerne aussi la comparaison de la température différentielle réelle, à l'état de régime permanent et/ou a l'état transitoire, permettant la détermination des qualités de refroidissement des fluides gazeux. Elle concerne aussi la simulation des propriétés 10 dynamiques thermiques des barreaux combustibles et la détermination de cette manière de la température transitoire des barreaux combustibles. Les avantages de l'invention par rapport aux procédés décrits précédemment sont la détermination précise 15 de l'état sec ou humide correspondant à la présence de fluide de refroidissement dans la région des barreaux combustibles, la détection en plusieurs points dans un même tube de guidage d'instrument, et la lecture indépendante de la température transitoire du fluide de refroidissement, 20 ainsi que de la température simulée,en régime permanent ou transitoire,maximaledes barreaux combustibles, l'appareil pouvant être programmé afin qu'il simule les temperatures réelles et non les températures maximales Etant donné cette répartition d'emplacements et le signal analo25 gique transmis en fonction de la température des barreaux combustibles de manière transitoire, l'appareil permet la détermination des résultats d'une action destinée à réduire les conséquences ou à corriger un accident, en temps réel. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une élévation avec des parties 35 arrachées d'un appareil selon l'invention placé dans un tube de guidage d'instrument; la figure 2 est une élévation éclatée d'un détail de l'appareil de détection selon l'invention; la figure 3 est une coupe d'un capteur; et la figure 4 est un schéma d'une cuve de réacteur nucléaire comprenant une chaîne de capteurs placés dans la région du noyau du réacteur nucléaire et au-dessus. La figure 1 représente un tube 10 de guidage d'instrumentsplacé dans une cuve de réacteur nucléaire Un petit nombre seulement de ces tubes de guidage est disponible dans la cuve des réacteursexistant actuellement Le tube de guidage joue le rôle d'un blindage empêchant la perturba10 tion de la réponse des instruments sous l'action des projections et de l'ébullition du fluide de refroidissement. Un connecteur éventuel 12 et un second connecteur éventuel 14, correspondant à un procédé de maintien de l'arrangement des capteurs au centre du tube 10 de gui15 dage, sont placés dans ce tube 10 Les connecteurs 12 et 14 contiennent des guides 16 et 18 qui facilitent l'introduction de l'appareil dans le tube 10 Les guides 16 et 18 peuvent comporter des pointes ou des cavités, leur donnarnt une forme concave permettant la circulation d'un fluide de re20 froidissement au niveau des connecteurs et dans le tube 10. Dans une variante, le centrage et le guidage peuvent être assures par utilisation d'un corps de capteur ayant une forme convenable à cet effet. Un tube 20 de càblage disposé entre les capteurs 25 adjacents est fixé aux connecteurs 12 et 14 Ce tube 20 contient les fils électriques 22 destinés à être reliés aux éléments des capteurs de la chaîne. Lélément 24 de capteur est placé dans le tube de guidage représenté plus en détail sur la figure 2, et 30 comporte un boltier 26, des guides éventuels 27 et 28 et, comme représenté, l'un de deux détecteurs de température 29 à résistance et l'élément 30 de chauffage Les éléments capteurs utilisés seion l'invention sont décrits en détail dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique n 3 366 942 et 3 898 638 Le capteur comporte essentiellement deux sondes thermosensibles et une sonde chauffante, raccordées thermiquement Chaque sonde détectrice a un bottier fermé creux dans lequel un fil de détection est disposé et est relié à une source de courant constant, ainsi qu'un dispositif de détection d'une différence de températuresentre les sondes, indiquée par la différence électrique des fils des sondes. Les sondes de détection et les sondes de chauffage sont introduites dans un conduit dans lequel une matière peut s'écouler, le tube 10 de guidage dans le cas représenté. En l'absence de fluide, les sondes de détection sont à des températures différentes étant donné que l'élément 30 de chauffage est placé près de l'une des sondes 29 Cependant, 10 lorsqu'une matière quelconque telle qu'un fluide de refroidissement% est présente et/ou s'écoule au niveau des sondes, elle entraîne de la chaleur et la différence de températures entre les deux sondes disparaît Une mesure précise de la différence de températures et de sa vitesse de variation représente la situation régnant dans le tube 10, en ce qui concerne la présence et le débit de fluide de refroidissement. Comme l'indique la figure 1, un tube télescopique 32 de raccordement relie la série des éléments capteurs Le câblage 22 passe dans un tube 30 de connexion et un corps 26 20 afin qu'il se prolonge vers les éléments capteurs supérieurs. Des fils 23 partant du capteur 24 sont raccordés à certains des fils 22 alors queles fils restants 22 passent dans le corps 26 du capteur et rejoignent le capteur suivant Un bouchon céramique éventuel 33 maintient les fils 22 et les 25 protege. Les figures 2 et 3 représentent un capteur 34 plus en détail Ce capteur 34 comprend le boîtier 36, un détecteur 38 de température à résistance, formant le capteur de température non chauffé de référence et le second détecteur de température à résistance 40 ainsi que l'élément 41 de chauffage Un renfort 42 est placé entre les deux détecteurs 38 et 40 afin qu'il accroisse la résistance micanique du capteur et l'isolement du détecteur 38 par rapport au dispositif 30 de chauffage Le tube 43 de connexion pas35 se du capteur au connecteur ou guide 44 de centrage afin qu'il se raccorde au capteur adjacent. Le renfort 42 augmente la résistance mécanique du capteur et empéche aussi la flexion de celui-ci perant l'introduction de la chaine de capteurs cci e décrit crécédemment Ce renfort est éventuel mriais il augmente la résistance mécanique et l'isolement thermique des deux cap5 teurs le cas échéant, par rapport au corps du capteur. Un capuchon 45 recouvre la partie supérieure du corps 36 et il y est soudé après connexion de tous les fils. La figure 3 représente le trou 46 formé dans le corps 36 du capteur pour le passage des fils électriques 47 Des trous 48 et 49 d'enrobage sont placés dans le corps 36 Lorsque tous les fils ont été raccordés, une céramique liquide est injectée dans l'un des trous 48 jusqu'à ce qu'elle sorte par l'autre trou 49 et remplisse complètement 15 les espaces entourant les fils 47, si bien que l'ensemble forme un paquet de câblesmaintenu solidement et qui ne peut pas être détérioré. La figure 4 représente la cuve 50 d'un réacteur nucléaire Cette cuve contient les barreaux combustibles et les barres de commande qui ne sont pas représentées, ainsi que quatre des nombreux tubes 52, 54, 56 et 58 de guidage des instruments Ces tubes sortent de la cuve 50 en étant courbés entre le réacteur et une table étanche 60. Des chaînes de capteurs 60 et 62 sont repré25 sentées à l'intérieur des tubes 52 et 54 de guidage On ne les décrit pas plus en détail car on les a décrites en référence aux figures 1 à 3 Des capteurs supplémentaires peuvent être montés par le haut, à partir des barres de commande comme représenté par les références 62 et 63, dans un second 30 mode de réalisation ou dans une seconde configuration des éléments capteurs Un blindage 54 peut être placé autour des capteurs afin qu'il empêche l'indication erronée d'une condition "humide" sous l'action de projection de liquide ou de l'ébullition d'un liquide alors qu'en fait le mouillage 35 n'est que partiel Le blindage isole aussi l'ensemble capteur des courants de fluide Les principaux problmes présentés par la création de la chaîne de capteurs et son introduction dans les tubes de guidage des instruments portent sur la miniaturisation des capteurs elx-m mes, la connexion des capteurs les uns aux autres, cette opération devant mettre en oeuvre un dispositif d'introduction de la chaîne dans le tube de guidage, suivant la courbe qui existe, sans détection des capteurs ou des dispositifs de raccordement La chaîne doit aussi permettre l'écoulement du fluide autour des capteurs et des dispositifs de raccordement dans le tube de guidage des instruments L'opération 10 est réalisée par utilisation du tube semi-flexible 32 de connexion qui peut fléchir suivant la courbe d'introduction sans se détériorer et qui se redresseensuite lorsqu'il atteint la partie rectiligne du tube de guidage dans le réacteur. En outre, les connecteurs 12, 14 et 44 sont réalisés afin qu'ils facilitent le guidage de la chaîne dans le tube tout en formant une surface concave ou lobée permettant le passage du fluide de refroidissement et maintenant les capteu 2-s au centre du tube de guidage. Une caractéristique importante de l'invention est qu'elle peut avertir l'opérateur av ant qu'une cavité ne se forme d'ans la cuve et, dans une première configuration avantageuse, l'appareil peut indiquer à l'opérateur les conditions momentanées des barreaux coblustibles pendant la formation de la cavité et après Il existe t-rois régies 25 dans lesquels il est important que l'appareil détecte les propriétés du fluide de refroidissement: un sous-refroidi.ssement (condition normale de fonctionnement), le liquide saturé (ébullition) et vapeur saturée (présence de cavités). Les cavités sont dangereusaes dans la curve du réacteur car le refroidissement des barreaux d c: bu::ible nucleaire Peut ne pas être convenable lorsqu'une ca"': contenant de la vapeur d'eau est formée dans la ragion' -'es barreaux Ce premier mode de réalisation ou cette ces ère configuration correspond à l'une des deux applications les 35 plus importantes de l'appareil selon l'invrer rtin et, dcans une telle application, l'appareil peut simuler S p rietés tlern Miqu:s des barreaux combustibles. En outre, lorsqu'une cavité est présente dans un réacteur et lorsque la pression auamente de quelques dixièmes de bars sous la commande d'une pompe ou de l'ouverture d'une vanne qui permet une élévation de la pres5 sion, un "coupde bélier" apparaît pendant lequel des ondes de pression destructrices se forment par effondrement de la bulle de la cavité, ces ondes de pression pouvant avoir une amplitude de plusieurs dizaines de bars et se présentant lorsque la cavité s'affaisse rapidement Il s'agit de la seconde configuration représentée à la partie supérieure de la figure 4 et dans laquelle les ensembles détecteurs sont placés au-dessus du corps et il s'agit d'une application importante de l'instrument car celui-ci peut être réalisé sans tenir compte des propriétés thermiques des barreaux 15 combustibles, mais il peut être optimisé par utilisation de propriétés thermiques simples qui anticipent la formatior possible d'une cavité. Des impulsions de pression dues aux coups de bélier peuvent rompre les tuyauteries, leurssupports, les reservoirs 20 les vannes, les joints de carters de pompes et d'autres appareillages vitaux. Lorsque l'appareil est mouillé par de l'eau calme sous-refroidie, le capteur chauffé 29 maintient par exemple une température différentielle qui correspond avan25 tageusement à 2,8 C par rapport à la température du capteur de référence, dans le premier mode de réalisation Cette température de 2,8 C peut être déterminée éventuellement par réglage de la puissance du dispositif de chauffage afin que la valeur soit accrue, mais la valeur est habituellement 30 optimale à 5,5 C dans le second mode de réalisation lorsque les propriétés des barreaux combustibles, comme indiqué précédemment, sont minimales et lorsque l'instrument est utilisé comme dispositif optimisé d'avertissement préalable à la formation de cavités, uniquement pour le contrôle des cavités et des coups de bélier, comme indiqué dans la partie supérieure de la figure 4, par les références 62 et 63. Lorsque la température de saturation (température d'ébullition) du fluide se rapproche, la température différentielle commence à diminuer vers zéro indiquant ainsi qu'une cavité se forme lorsqu'une augmentation de la température du milieu ou une réduction de la pression dans le milieu peut apparaître Dans cette configuration, un re5 froidissement forcé par convection du capteur chauffé doit être évité, et le blindage 54 assure cette opération. Lorsque la cavité s'est formée, une variation importante de la température différentielle apparaît à une valeur d'au moins 8 C, et elle peut être utilisée pour la signalisation du fait que la cavité s'est formée et que des précautions doivent être prises afin que la cavité soit résorbée lentement, sans formation de coup de bélier, mais pas lentement au point que les barreaux combustibles puissent fondre car les barreaux peuvent manquer de fluide de 15 refroidissement lors de l'utilisation du premier mode de réalisation. La diminution de la température différentielle apparaît à la température d'ébullition car, quel que soit le phénomène de dissipation d'énergie dans le dispositif 20 de chauffage, la température de ce dispositif et ainsi du capteur chauffé, ne peut pas dépasser la température du fluide à l'ébullition, cette température étant aussi celle du capteur de référence Il est évident que, quelle que soit la quantité de chaleur transmise pour l'ébullition d'eau dans une bouilloire, la température de l'eau ne peut pas dépasser 100 C dans les conditions de pression atmosphérique normale Un plus grand flux de chaleur ne modifie pas la température mais seulement la vitesse d'ébullition. L'immersion d'un élément capteur dans un tel milieu donne deux lectures de 100 C (sans température différentielle) avec une légère augmentation de l'ébullition locale au niveau du dispositif de chauffage Naturellement, si la températue de l'eau est de 97,2 C, le capteur chauffé, dans le second mode de réalisation, indique 100 C et le cap35 teur de référence 97,20 C Dans cet exemple simplifié, la température différentielle préréglée de 5,5 C a été réduite à 2,8 C seulement étant donné le rapprochement de la température d'ébullition. Naturellement, lorsque la température du fluide continue à augmenter, la différence de 2,8 C indiquée précédemment continue à diminuer et elle approche finalement de zéro à la température d'ébullition du fluide. Il faut noter, quant à l'information qui peut être tirée des ensembles capteurs, que la masse thermique du capteur chauffé, la vitesse de dispersion de chaleur par transmission à partir du capteur et la chaleur par unité de surface dégagée par le dispositif de chauffage peuvent 10 être réglées afin qu'elles correspondent à la valeur de la chaleur dégagée par le barreau combustible afin que les propriétés thermiques du barreau combustible soient simulées Lorsque ces différentes valeurs sont ainsi réglées, l'opérateur du réacteur peut déterminer la température du 15 fluide de refroidissement par lecture du capteur ou détecteur de température de référence, de la température maximale du barreau, à l'état de régime permanent ou de régime transitoire, et, par comparaison des valeurs données par les détecteurs de température a résistance, l'opérateur peut 20 déterminer les propriétés de refroidissement du fluide de refroidissement présent au niveau de la tête contenant les capteurs La distribution des capteurs dans toute la cuve du réacteur, dans la chaîne décrite précédemment, donne à l'opérateur une connaissance complète des températures et des pro25 priétés du fluide de refroidissement dans toute la cuve. Les capteurs selon l'invention ont une âme céramique, un fil de résistance de platine ou d'une autre matière convenable, une matière d'enrobage céramique ou de Sourisen, des bottiers d'acier inoxydable et un isolement 30 d'oxyde de magnésium, dans les fils souples, afin que le fonctionnement soit s Cr et fiable dans les conditions de pression et température élevées qui règnent dans la cuve d'un réacteur. Les capteurs d'un type analogue à ceux qu'on a décrits précédemment ont subi des essais avant utilisation dans la cuve d'un réacteur nucléaire Les capteurs réalisés avaient seulement 1 cm de diamètre externe, le diamètre in- terne de nombreux tubes de guidage d'instruments étant de 1 cm Le capteur a fonctionné en présence d'eau saturée, et les tensions de sortie ont été relevées lorsque la sonde a atteint l'état de régime permanent Lorsque la sonde a été immergée dans un liquide saturé, les tensions de sortie à l'état de régime permanent étaient inférieures à 5 m V. Le tableau qui suit indique les signaux de sortie obtenus lors de l'immersion dans du liquide et dans de la vapeur à diverses pressions et températures. Températures Pression Fluide Signal du capteur T ( C) P (M Pa) Liquide Vapeur m V 101 0,2 X 6,1 99 0,1 X 56,0 154 0,4 X 6,3 143 0,4 X 54,0 1,2 X 6,0 186 1,1 X 50,6 273 5,5 X 7,3 266 4,8 X 36,3 314 10,1 X 8,0 305 8,6 X 22,5 Ces essais montrent l'aptitude des capteurs à donner des indications sur l'atmosphère de liquide ou de vapeur. Bien que la description qui précède concerne l'utilisation de chaînes de capteurs dans une cuve de réacteur nucléaire, il est évident qu'une telle chaîne de capteurs peut être utilisée dans une cuve contenant toute sorte de liquide, dans d'autres applications. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs et procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titres d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Appareil de détection d'un niveau de fluide et de propriétés d'un fluide présent dans une cuve, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs ensembles capteurs es5 pacés destinés à détecter une température Dar résistance, chaque ensemble à capteurs comprenant un premier et un second capteur ( 29) de température, un dispositif de chauffage ( 30) adjacent à l'un des capteurs de température et isolé du second capteur de température, un dispositif de détection 10 des réponses thermiques différentielles des capteurs de température, un dispositif de mesure des réponsesthermiques différentielles des capteurs, et un dispositif de détection des températures individuelles des deux capteurs ( 29) de température dechaque ensemble à capteurs. 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ensembles à capteurs sont raccordés par un tube flexible ( 20, 32) et des connecteurs ( 12, 14) permettant une circulation libre d'un fluide le long des capteurs de température. 3 Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les ensembles à capteurs comportent une barre de renforcement ( 42) et un dispositif destiné à empêcher la flexion des éléments capteurs. 4 Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les connecteurs ( 12, 14) sont des guides de raccordement ayant des surfaces concaves. Appareil de détection d'un niveau de fluide de refroidissement et de propriétés d'un tel fluide dans une cuve de réacteur nucléaire, caractérisé en ce qu'il com30 prend plusieurs ensembles distants à capteurs destinés à détecter la température par résistance, chaque ensemble à capteurscomprenant deux capteurs de température ( 29), un dispositif de chauffage ( 30) adjacent à l'un des capteurs de température, un dispositif de détection des réponses thermiques différentielles des deux capteurs, un -dispositif de mesure des réponses thermiques différentielles des capteurs, et un dispositif destiné à détecter individuellement les températures des capteurs, un tube flexible ( 20, 32) et des raccords ( 12, 14) étant destinés à permettre la circulation libre du fluide de refroidissement le long des ensembles capteurs et raccordant les capteurs les uns aux autres. 6 Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que les capteurs comportent une barre de renforcement ( 42) et un dispositif destiné à empêcher le fléchissement des éléments capteurs de température. 7 Procédé d'introduction de plusieurs ensembles distants à capteurs destinés à assurer une détection de température par résistance, dans un tube de guidage ( 10) d'instruments dans une cuve de réacteur nucléaire, caractérisé en ce qu'il comprend le raccordement d'ensembles adja15 cents à capteurs par un tube flexible ( 20, 32) et le raccordement de guides ( 12, 14) permettant la circulation libre de fluide de refroidissement du réacteur le long des ensembles à capteurs, et l'enfilage des ensembles raccordés à capteurs dans le tube de guidage ( 10) des instru20 ments. 8 Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les ensembles à capteurs comportent une barre de renforcement ( 42) destinée à empêcher le fléchissement des ensembles à capteurs lorsqu'ils ont été introduits. 9 Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que les ensembles à capteurs ont une masse thermique, une vitesse de dispersion de chaleur et des propriétés de transmission de chaleur par unité de surface qui simulent les valeurs de dégagement de chaleur d'un barreau combusti30 ble de réacteur nucléaire et permettent la détection instantanée en temps réel d'une action compensatrice à prendre.