Brevet FR2557291A1 — publié le 19850628

La présente invention a pour objet un thermomètre gamma tel que ceux utilisés pour mesurer la puissance dégagée dans un réacteur nucléaire qui permette de connaitre, outre la différence de température entre deux points donnés, la température absolue en chacun de ces points. Pour mesurer la puissance des réacteurs nucléaires, on utilise des appareils appelés "thermomè- tres gamma" qui permettent, en mesurant la différence de température entre deux points, de déterminer la quantité de chaleur s'écoulant entre ces deux points, et donc la puissance du réacteur. Le brevet français 2 385 187 décrit un tel thermomètre qui se compose d'une enveloppe cylindrique externe à l'intérieur de laquelle se trouve une tige cylindrique percée d'un canal central. Cette tige présente, le long de son axe, des parties épaisses et des parties minces de sorte que soient créées, entre l'enveloppe externe et les parties minces, des chambres annulaires rendues isolantes par mise sous vide ou par remplissage à l'aide d'un gaz neutre.Ce thermomètre est disposé parallèlement aux aiguilles ou crayons combustibles et comporte un certain nombre de thermocouples disposés dans le canal central de la tige cylindrique. I1 s'agit de thermocouples différentiels, c'est-à-dire constitués de deux fils dont l'un est fait d'un seul élément tandis que l'autre comporte deux éléments : le premier élément est relié au premier fil par une première soudure et au deuxième élément du même fil par une deuxième soudure appelée "soudure en ligne". Le premier fil et le deuxième élément du deuxième fil sont réalisés dans le même métal ou le meme matériau, qui est différent du matériau constituant le premier élément du deuxième fil : la mesure de la tension entre les deux fils permet de connaître la différence de température entre les deux soudures. Dans la plupart des cas, la première soudure, appelée "soudure chaude", se trouve au droit des parties minces de la tige tandis que la soudure en ligne, appelée soudure froide" se trouve au droit des parties épaisses.- En effet, les calories créées dans la tige par absorption des rayonnements gamma s'écoulent radialement dans les parties épaisses de la tige cylindrique, mais axialement dans les parties minces, ce qui fait que la température est plus élevée au niveau des parties minces qu'au niveau des parties épaisses. La mesure de cette différence de température permet, moyennant un étalonnage préalable, de connat- tre la quantité de chaleur dégagée et donc la puissance du réacteur. Outre les appareils qui viennent d'être décrits et qu'on désigne par l'expression "thermomè- tres gamma à écoulement axial de chaleur", il existe également des appareils comportant une tige cylindrique identique, à parties épaisses et parties minces, mais dans lesquels la pièce est exposée au fluide réfrigérant par toute sa surface extérieure, donc dans lesquels la répartition des zones froides et chaudes est inversée. L'invention s'applique également à ces appreils qu'on appelle "thermomètres gamma à écoulement radial de chaleur". Les thermomètres gamma de ces deux types, s'ils permettent de connattre la différence de température entre deux points donnés, ne permettent pas de mesurer la température absolue en l'un ou l'autre de ces points, ce qui peut être utile dans certains cas, notamment lorsqu'on désire utiliser l'appareil pour détecter le niveau du liquide de refroidissement d'un réacteur nucléaire. La présente invention a justement pour but de remédier à cet inconvénient en proposant un thermomètre gamma qui permet de connaître, outre la différence de température entre deux points, la température absolue en chacun de ces points. Selon la principale caractéristique du thermomètre gamma objet de l'invention, celui-ci, du type comportant une tige cylindrique percée d d'un canal central et présentant successivement le long de son axe des parties visses et des parties minces, ddfinissant des zones froides et des zones chaudes verticalement espaces au moins un thermocouple étant placé dans le canal central, et comportant deux jonctions thermoélectrique disposées l'une dans une zone chaude, l'autre dans une zone froide, et connectées en série, et des moyens de mesure réunis aux bornes de ce montage en série, se caractérise en ce que l'une desdites jonctions thermoélectriques est reliée aux moyens de mesure par un fil formant avec un fil la reliant déjà auxdits moyens de mesure, une troisième jonction thermoélectrique, et les moyens de mesure étant également brancher pour mesurer la tension fournie par cette troisième jonction. Dans un premier mode de réalisation de ce thermomètre gamma, le thermocouple comprend : - un premier fil constitué d'un premier élément, réa lisé en un premier métal, et ayant l'une de ses ex trémités reliée aux deux autres fils par ladite soudure, et d'un deuxième- élément, réalisé en un deuxième métal différent du premier, et ayant l'une de ses extrémités reliée à l'autre extrémité du pre mier élément par ladite soudure en ligne et son autre extrémité reliée auxdits moyens de mesure, - un deuxième fil constitué d'un seul élément réalisé dans le deuxième métal et dont une extrémité est reliée aux deux autres fils par ladite soudure tandis que son autre extrémité est reliée auxdits moyens de mesure, et - un troisième fil constitué d'un premier élément, réalisé dans le deuxième métal et ayant l'une de ses extrémités reliée aux deux premiers fils par ladite soudure, et d'un deuxième élément réalisé dans le premier métal, ce deuxième élément ayant l'une de ses extrémités reliée au premier élément par une soudure en ligne et son autre extrémité reliée aux dits moyens de mesure. Dans un deuxième mode de réalisation, les deux premiers fils sont réalisés comme ci-dessus, mais le troisième fil ne comporte qu'un seul élément réalisé dans le premier métal. Dans un autre mode de réalisation, la troisième jonction est disposée au droit de la partie de tige la plus directement couplée thermiquement avec le réfrigérant. L'invention apparaîtra mieux à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un premier mode de réalisation du thermomètre gamma objet de l'invention, et - la figure 2 est une vue schématique en coupe d'un deuxième mode de réalisation de ce thermomètre. Si l'on se reporte à la figure 1, on voit que le thermomètre gamma objet de l'invention se compose, de manière connue, d'une enveloppe externe 2 à l'intérieur de laquelle se trouve une tige cylindrique 4 percée d'un canal central 5 disposé sensiblement suivant son axe. La tige 4 présente des parties épais ses 6 et des parties minces 8, ce qui définit le long de l'appareil, entre l'enveloppe externe 2 et les parties minces 8, des chambres annulaires telles que 10 qui sont rendues isolantes soit par mise sous vide, soit par remplissage à l'aide a | d'un gaz neutre comme l'argon. Dans le canal central sont disposés plusieurs thermocouples dont un seul, portant la référence générale 12, est représenté sur le dessin. Selon l'invention, le thermocouple 12 se compose de trois fils 14, 16 et 18 reliés, à l'une de leurs extrémités, par une soudure 20 se trouvant au droit d'une partie mince 8 de la tige cylindrique 4. Le premier fil 14 se compose de deux éléments 14a et 14b dont le premier, 14a, a l'une de ses extrémités reliée aux fils 16 et 18 au niveau de la soudure chaude 20 tandis que son autre extrémité est reliée au deuxième élément 14b par une soudure en ligne 22 placée au droit d'une partie épaisse 6 de la tige 4 c'est donc une soudure froide. Le premier élément 14a est réalisé en un premier métal que, pour plus de commodité, on appellera "métal An dans la suite du présent texte, tandis que le deuxième élément 14b est réalisé en un deuxième métal, différent du premier, qu'on appellera "métal B". Le deuxième fil 16 ne comporte qu'un seul élément, en métal B : ainsi, les fils 14 et 16 consei- tuent un thermocouple différentiel et le voltmètre 26 branché entre les fils 14 et 16, permet de connaître la différence de température entre les soudures 20 et 22. Le troisième fil 18 se compose de deux éléments 18a et 18b reliés l'un à l'autre par une soudure 24 se trouvant au même niveau que la soudure 22 comme les thermocouples tels que 12 sont extrêmement minces (diamètre de l'ordre du millimètre), on peut considérer que les soudures 22 et 24 se trouvent à la même température. Le premier élément 18a est réalisé dans le métal B (comme le deuxième fil 16) et il s'étend entre la soudure 20 et la soudure 24 ; le deuxième élément 18b du fil 18 est réalisé dans le métal A. L'ensemble des fils 16 et 18 constitue donc un thermocouple simple dont la soudure est la soudure 24 : le voltmètre 28, branche entre les fils 16 et 18 permet donc de mesurer la température au niveau des soudures 22 et 24. Ainsi, le thermomètre gamma objet de l'invention permet de connattre directement la température des soudures 22 et 24 et la différence de température entre la soudure 20 et les soudures 22 et 24 : par différence, on détermine la température absolue au niveau de la soudure 20. Enfin, un voltmètre 30 disposé entre les fils 14 et 18 permet de prélever un signal proportionnel à 2T22 -T20 où T20 et T22 symbolisent les températures absolues aux points 20 et 22. Il est à noter que, pour que l'appareil soit un bon thermomètre gamma, il faut que la soudure la plus ponctuelle soit celle qui est au niveau de la chambre isolante 10. Or, les thermocouples tels que 12 étant généralement réalisés par tréfilage d'une ébauche, la soudure la plus ponctuelle est la soudure d'extrémité 20 car elle est réalisée en fin de fabrication tandis que les soudures 22 et 24 subissent un certain allongement. D'autre part, il est important de pouvoir localiser avec précision le point de mesure par rapport à la chambre isolante et ceci ne peut se faire que par radiographie en fin de fabrication car il y a étirage : comme il est plus facile de localiser une soudure d'extrémité qu'une soudure en ligne, ceci constitue une deuxième raison pour placer la soudure 20 au droit d'une partie mince 8, donc d'une chambre isolante 10. Une autre application importante de l'invention est la détection du niveau du liquide de refroidissement dans le coeur d'un réacteur nucléaire. S'il s'agit d'un réacteur à eau sous pression, le thermomètre comportant plusieurs thermocouples tels que 12 répartis sur toute sa longueur, on peut détecter une différence de transfert thermique si une partie du thermomètre se trouve dans l'eau et l'autre dans la vapeur : c'est ce qui se produit lors du dénoyage partiel d'un réacteur PWR et le thermomètre gamma permet de déterminer le niveau de l'eau dans la cuve du réacteur. Pour que l'appareil soit un bon détecteur de niveau, il faut qu'une soudure mesurant la température absolue fournisse l'information avec le temps de réponse le plus bref, c'est-à-dire soit au droit d'une partie épaisse de la tige cylindrique. Ceci conduit encore à la configuration ci-dessus car le point de mesure de niveau, dont la précision a moins d'importance, est automatiquement le plus élevé dans le réacteur. En effet, le thermomètre est placé verticalement et la sortie des fils se fait obligatoirement par le haut : pour un thermocouple 12 donné, les soudures 22 et 24 sont donc toujours au-dessus de la soudure 20. Le voltmètre 28 fournit donc une information rapide sur le passage du niveau d'eau au droit des soudures 22 et 24 ; grâce à cette disposition, le thermomètre gamma selon la figure 1 fonctionne en détecteur de niveau. On peut également utiliser à cette fin le signal délivré par le voltmètre 30 qui présente l'avantage d'une sensibilité doublée, dans ce signal en effet, la variation observée lors du passage du niveau au droit des soudures 22 et 24 est doublée. La figure 2 illustre un autre mode de réalisation dans lequel on retrouve l'enveloppe externe 2 et la tige cylindrique 4 avec les parties épaisses 6 et les parties minces 8 qui définissent les chambres annulaires 10. On retrouve également le canal central 5 avec le thermocouple 12 constitué des trois fils 14, 16 et 18. Les fils 14 et 16 sont constitués comme précédemment mais, dans cette variante, le fil 18 ne comporte qu'un seul élément réalisé dans le métal A, c'est-à-dire le même matériau que le premier élément 14a du fil 14. Comme précédemment, le voltmètre 26,branché entre les fils 14 et 16, donne la différence de température entre les soudures 20 et 22. Cependant, dans cette variante, le voltmètre 28, branché entre les fils 16 et 18, donne la température absolue de la soudure 20 car les fils 16 et 18 constituent un thermocouple simple. Enfin, un troisième voltmètre 30, branché entre les fils 14 et 18, donne la température absolue de la soudure 22 car les fils 18 et 14a sont réalisés dans le même matériau. Ce mode de réalisation permet d'économiser une soudure, il ne donne pas toutefois la possibilité de doubler la sensibilité du signal de détection de niveau. Ainsi le thermomètre gamma objet de l'invention présente des avantages particulièrement intéressants puisqu'il permet de déterminer la température absolue en différents points et pas seulement une différence de température entre deux points. Ainsi, il constitue un bon détecteur de niveau pour déterminer le niveau du liquide de refroidissement dans la cuve d'un réacteur nucléaire. I1 convient de noter que cette possibilité est liée à l'existence d'un troisième fil de sortie du thermocouple, fil constituant une jonction thermoélectrique simple engendrant un signal de mesure absolue de température de l'un des points de mesure du thermomètre gamma. Dans le cas le plus simple, dont un exemple est celui de la figure 2, le troisième fil constitue directement, avec l'un des éléments du thermocouple différentiel de base, une jonction thermoélectrique confondue avec l'une des jonctions du thermocouple différentiel ; cette jonction peut éventuellement être issue, non d'une soudure en bout comme dans la figure 2, mais d'une soudure en ligne (fil 18 réuni à la soudure 22 et non à la soudure 20).Dans un cas plus complexe, dont un exemple est celui de la figure 1, le troisième fil ajoute à cette première jonction, une deuxième jonction située au même point que l'autre jonction du thermocouple différentiel de base. Dans ce cas le signal de température absolue est obtenu entre le deuxième et le troisième fil (jonction de mesure absolue 24 dans le cas de la figure 1) et non entre le premier et le troisième comme dans le cas précédent (jonction de mesure absolue 22 dans le cas de la figure 2). Dans tous les cas il est préférable que la jonction engendrant le signal de température absolue utilisé pour la détection de niveau soit donc la zone dans laquelle la variation de température consécutive à la variation de niveau est transmi se le plus rapidement à la jonction (zone située au droit des parties épaisses de la tige dans le cas, illustré aux figures 1 et 2, des thermomètres gamma à écoulement axial de chaleur t zone située au droit des parties minces dans le cas non représenté des thermomètres gamma à écoulement radial de chaleur). REVENDICATIONS 1. Thermomètre gamma, du type comportant, une tige cylindrique (4) percée d'un canal central (5) et présentant successivement le long de son axe des parties épaisses (6) et des parties minces (8), définissant des zones froides et des zones chaudes verticalement espacées sous l'action d'un réfrigérant au moins un thermocouple (12) étant placé dans le canal central (5), et comportant deux jonctions thermoélectriques disposées l'une dans une zone chaude, l'autre dans une zone froide, et connectées en série, et des moyens de mesure réunis aux bornes de ce montage série, caractérisé en ce que l'une desdites jonctions thermoélectriques est reliée aux moyens de mesure par un fil formant, avec un fil le reliant déjà aux moyens de mesure, une troisième jonction thermoélectrique, et les moyens de mesure étant également branchés pour mesurer la tension fournie par cette troisième jonction. 2. Thermomètre gamma selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit thermocouple (12) comprend : - un premier fil (14) constitué d'un premier élément (14a) réalisé en un premier métal et ayant l'une de ses extrémités reliée aux deux autres fils (16, 18) par ladite soudure (20), et d'un deuxième élément (14b), réalisé en un deuxième métal différent du premier, et ayant l'une de ses extrémités reliée à l'autre extrémité du premier élément (14a) par ladi te soudure en ligne (22) et son autre extrémité re liée auxdits moyens de mesure (26, 28, 30), - un deuxième fil (16) constitué d'un seul élément réalisé dans le deuxième métal et dont une extrémité est reliée aux deux autres fils (14, 18) par ladite soudure (20) tandis que son autre extrémité est reliée auxdits moyens de mesure (26, 28, 30), et - un troisième fil (18) constitué d'un premier élément (18a), réalisé dans le deuxième métal et ayant l'une de ses extrémités reliée aux deux premiers fils (14, 16) par ladite soudure (20), et d'un deuxième élé ment (18b) réalisé dans le premier métal, ce deuxiè me élément (18b) ayant l'une de ses extrémités re liée au premier élément (18a) par une soudure en ligne (24) et son autre extrémité reliée auxdits moyens de mesure (26, 28, 30). 3. Thermomètre gamma selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit thermocouple (12) comprend - un premier fil (14) constitué d'un premier élément (14a) réalisé en un premier métal et ayant l'une de ses extrémités reliée aux deux autres fils (16, 18) par ladite soudure (20), et d'un deuxième élément (14b), réalisé en un deuxième métal différent du premier, et ayant l'une de ses extrémités reliée à l'autre extrémité du premier élément (14a) par ladi te soudure en ligne (22) et son autre extrémité re liée auxdits moyens de mesure (26, 28, 30), - un deuxième fil 116) constitué d'un seul élément réalisé dans le deuxième métal et dont une extrémité est reliée aux deux autres fils (14, 18) par ladite soudure (20) tandis que son autre extrémité est reliée auxdits moyens de mesure (26, 28), et - un troisième fil (18) constitué d'un seul élément réalisé dans le premier métal et ayant l'une de ses extrémités reliée aux deux premiers fils (14, 16) par ladite soudure (20) tandis que son autre extré mité est reliée auxdits moyens de mesure (26, 28, 30). 4. Thermomètre gamma selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite troisième jonction (24, 22) est disposée au droit de la partie de tige (6) la plus directement couplée thermiquement avec le réfrigérant.