Brevet FR2553225A1 — publié le 19850412

Procédé et dispositif de contrôle de capteur-s neutroniques en fonctionnement L'invention concerne les capteurs neutroniques et notamment, bien que non exclusivement, ceux utilisés dans les systèmes de surveillance et de sécurité des réacteurs nucléaires. Elle a plus particulièrement pour objet le contrôle de ces capteurs. I1 est nécessaire de vérifier régulièrement les caractéristiques des capteurs neutroniques, notamment leur sensibilité et leur réponse dynamique, pour maintenir la fiabilité des systèmes auxquels ils sont incorporés. A l'heure actuelle, ces vérifications s'effectuent par des méthodes actives, notamment d'établissement des courb-es de saturation. I1 est nécessaire d'interrompre l'utilisation normale des capteurs pendant ces vérifications, qui en conséquence ne peuvent pas être pratiquées à la fréquence souhaitable. L'invention vise à fournir un procédé et un dispositif de vérification répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'ils écartent cet inconvénient et permettent de déceler les anomalies de fonctionnement les plus fréquentes sans interrup-tion du fonctionnement, éventuellement en permanence et en ligne. On sait que les capteurs neutroniques utilisent la formation de charges électriques dans un détecteur par absorption de l'énergie des neutrons. L'invention implique l'élaboration d'un descripteur représentatif de la charge électrique élémentaire moyenne par évènement détecté par le capteur. Les inventeurs ont constaté qu'il est possible d'utiliser comme descripteur le quotient du courant I fourni par le capteur et de la valeur quadratique a2 des fluctuations liées en bruit de détection. Ce quotient I/d 2 ou ci2/i , étant indépendant du flux neutronique (donc de la puissance du réacteur dans le cas de l'application à une installation de surveillance de réacteur), peut être élaboré par simple traitement du signal de sortie du capteur, sans corrélation avec d'autres mesures. En conséquence, l'invention propose notamment un procédé de contrôle de capteur neutronique pendant le fonctionnement dudit capteur, suivant lequel on élabore une valeur représentative du quotient du courant I fourni par le capteur'et de la valeur quadratique o2 des fluctuations de ce courant dues au bruit de détection et on compare cette valeur à une plage déterminée correspondant au fonctionnement normal du capteur. Le bruit de détection peut être isolé dans le bruit total du capteur par filtrage passe-bande ; le bruit de réacteur apporte en effet l'essentiel de sa contribution à des fréquences qui ne dépassent guère 50 Hz. L'invention propose également un dispositif de contrôle de capteur neutronique pendant son fonctionnement, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de calcul de la valeur quadratique du bruit de détection dans une plage de fréquence déterminée, des moyens pour faire le quotient de ladite valeuret du courant statique du capteur et des moyens de comparaison du quotient et d'une plage déterminée de valeurs considérée comme normale. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère à la Figure unique qui l'accompagne et qui est un schéma de principe d'un dispositif suivant l'invention. Avant de décrire un procédé et un dispositif particuliers suivant l'invention, on en exposera les fondements théoriques sous une forme simplifiée et donc forcément approchée. En fonctionnement normal, le courant statique I fourni par un capteur de neutrons présente généralement une zone, dite de plateau, où il ne varie pas avec la tension appliquée. Dans cette zone, le courant statique mesuré est de la forme I = N.q.G où I est le courant fourni N désigne la fréquence de détection d'évènements (qui est une fonction directe du flux neutronique) G est le gain statique du capteur (détecteur et élec tronique), q est la charge moyenne par évènement. Ce courant peut encore s'écrire I = . F. W. G (1) où g est l'efficacité du détecteur F est le flux neutronique. Dans cette dernière expression, seul F n'est pas caractéristique du capteur. La démarche qui a permis d'arriver à l'invention, et qui est justifiée par l'expérience, comporte une analyse de l'incidence des paramètres qui interviennent dans l'expression du bruit présent dans le signal de sortie du capteur. Ce bruit a plusieurs origines. Sa densité spectrale P(f) peut s'écrire : P(f) = Pa(f) + (f) + Pd(f) + Pr(f) où P (f) est la densité spectrale associée au. bruit d'appa reillage, qui comprend notamment le bruit électrique, Pd(f) est celle du bruit dit de détection, qui sera étudié plus loin, Pr(f) est celle du bruit dû au réacteur. Ce dernier bruit est pratiquement proportionnel au niveau de puissance du réacteur et sa densité spectrale Pr(f) est de la forme pr(f) = w2 q # Si (f) i où W est la puissance du réacteur, q est la charge élémentaire du détecteur par événement (valeur moyenne), Si(f) est la source élémentaire, f est la fréquence. Le bruit Pr(f) a plusieurs origines, fluctuations de la température d'entrée du réfrigérant dans le coeur et de la vitesse du réfrigérant, variation de la éact4vité dues aux vibrations du coeur, variation du coefficient de trans mission des structures internes du réacteur. Il se situe pour l'essentiel, du moins dans un réacteur à eau légère- sous pression, dans une bande de fréquences basse, de O à 50 Hz. Au-delå de 50 Hz, le bruît ?r peut être négligé devant les bruits de détection et d'appa-reillage et, en consé-* quence, son incidence peut être supprimée en soumetta.nt le bruit à un filtrage passe-haut. Le bruit d'appareillage est dû à plusieurs phénomènes L'incidence des parasites dans tout appareil du type considéré ici, doit être réduite de sorte que sa constribution reste faible. te bruit thermique peut de son côté être ramené à une'valeur acceptable par un montage approprié de l'électronique de sortie du détecteur; en particulier, on peut utiliser un amplificateur avec un taux élevé de contre-réaction Le bruit de détection a déjà fait l'objet d'études théoriques qu'il peut être utile de résumer. On supposera que l'a.rr.i .ée des neutrons dans le détecteur peut être assimilée à un train d'impulsions de Dirac d'amplitude W apparaissant selon un processus poissonnien-de fréquence N. Cette fonction aléatoire sera désignée par X(t). Chaque impulsion élémentaire est alors déformée par la fonction de transfert G.H.(f) du détecteur et de l'électronique (G représentant le gain statique et H(f) la réponse dynamique telle que H(o) =1). Le signal électrique Y(t) obtenu en sortie de la chaîne de mesure est constitué par la convolution (désignée par *) : Y(t) = G.h(t)* X(t) (2) où G.h(t) est la réponse impulsionflelle du détecteur et la transformée de Fourier inverse de-G.H(f). On va évaluer les trois termes Cxx (T) l'auto-corrélation du signal incident X(t) DSPx(f) la densité spectrale de puissance de la composamtefluctu- ante de X DSPy(f) la densité spectrale de puissance de la composante fluctu ante de Y. -1- On peut montrer que où ô (t) est l'impulsion de Dirac, N2 q2 représente le carré du signal statique (courant I au gain près), N q2 6(t) représente la composante associée aux fluctuations. -2- La densité spectrale DSPx(f) de la composante fluctuante de X est obtenue par application de la tr-ansfor- mée de Fourier -3- Y étant lié à X par la Formule (2 ), la densité spectrale de Y se déduit de celle de X par multiplication par la fonction de transfert G.H(f) La charge élémentaire W peut être estimée à partir des relations (1) et (4) donnant le courant I et la densité spectrale de puissance Pd(f) du bruit de détection.Si on remplace N par F dans la Formule (4), on a Pd(f) = 2EF s2 G2 IH(f)l 2 (5) On obtient la valeur quadratique a 2 de Pd(f) dans une bande de fréquences flf2 choisie pour que le bruit de détection soit prédominant dans le bruit total, par intégration de la relation (5) dans l'intervalle fif2 Pour obtenir un descripteur représentatif de q pouvant être déterminé sans mesure du flux neutronique, il faut éliminer F = N dans la formule (6), ce qui est fait en remplaçant EF par son expression donnée par la -Formule (1).On trouve alors où 2 désigne la puissance du bruit dans la bande flf2 Dans le descripteur donné par la Formule (7), figure la réponse H(f) en fréquence du détecteur et de l'électronique associée. Elle n'est généralement pas connue avec précision Il reste néanmoins possible de calculer un descripteur de fonctionnement D, caractérisant le détecteur par rapport à un état de référence noté Eo qui restera sensiblement constant tant que le détecteur sera normal et évoluera si le détecteur se dégrade. En conséquence, le procédé suivant l'invention comprendra l'élaboration d'un descripteur de W par mesure de a2 et de I et détermination du quotient de ces valeurs, les variations de ce descripteur étant représentatives de celles de W si G et H(f) évoluent peu. Le quotient est ensuite comparé à une plage encadrant une valeur considérée comme normale et toute sortie de la plage sera considérée comme indiquant une anomalie. On constate que le procédé révèle toutes les anomalies les plus fréquentes d'un capteur et notamment, parmi celles du détecteur - toute modification du matériau détecteur ou du gaz de remplissage qui affecte directement la charge élémentaire q par évènement et donc le descripteur ; - toute perte d'intégrité électrique du détecteur, par exemple par apparition d'un courant de fuite dû à une perte d'isolement entre les électrodes ; ce défaut affecte uniquement le terme I du descripteur et peut donc être identifié - toute modification de la réponse en fréquence du détecteur et de l'électronique associée dans la plage analysée qui affecte le descripteur. Et, parmi celles de l'électronique associée - toute dérive du gain qui affecte le de-scripteur, - tout décalage ou "offset" de l'amplificateur d'entrée de l'électronique qui affecte le courant I sans modifier a2 et en conséquence affecte le descripteur ; - tout bruit électrique anormal dans la bande f1f2 qui affecte uniquement o 2 et en conséquence modifie le descripteur. Le dispositif de mise en oeuvre de l'invention dont le schéma de principe est donné sur la Figure peut être associé à un capteur existant 10 comportant un détecteur 11 (chambre à gaz par exemple) et une baie électronique ayant une résistance de charge 12 et un amplificateur 13 pour convertir le courant de sortie du capteur en tension de niveau approprié à la mesure et au traitemen-t du signal par un ensemble E non représenté. Le dispositif comporte une branche d'élaboration 2 de a 2 dans une plage de fréquences f1f2. Elle comporte un filtre qui sera en général double : le premier filtre 14a est un filtre passe-bande dont la limite f1 sera typiquement d'environ 50 Hz tout en restant supérieure à la fréquence du réseau électrique (50 Hz en Europe, 60 Hz aux Etats-Unis), à laquelle on rencontre un bruit impoftant non significatif pour le contrôle. La limite haute f2 pourra être choisie à environ 5 kHz dans le cas d'un capteur équipant un réacteur à eau sous pression. Le second filtre 14b est un filtre en peigne, qui permet de rejeter les harmonique-s de la fréquence du secteur (50 Hz, 100 Hz, 150 Hz,... en Europe). La branche comporte ensuite un module 15 de calcul 2 de la valeur quadratique a du bruit de détection. -Les signaux de sortie de l'amplificateur d'une part, du module 15 d'autre part sont appliqués à un diviseur 16 qui divise la valeur quadratique a2 par le courant I et permet d'estimer le rapport Le signal de sortie du d-iviseur 16 est appliqué à un jeu de com parateurs 17 qui comparent la valeur délivrée par 16 à deux seuils haut et bas D1 et D2, typiquement correspondant à des écarts de quelques pour cent. Dans le cas d'un dépassement de seuil, une alarme peut être déclenchée. Le dispositif est avantageusement complété par des moyens pour inhiber le fonctionnement du dispositif de contrôle lorsque les conditions d'emploi du capteur sont telles que le rapport /1 peut se trouver hors de la plage normale sans qu'il y ait défaut due fonctionnement. Dans le cas montré sur la Figure, ces moyens comportent - un module 1R qui inhibe le dispositif de contrôle lorsque le flux du réacteur, donc le courant I, varie rapidement, ce qui se traduit par une valeur dI/dt supérieure à un seuil - un module 19 qui détecte le passage du courant I (et donc du flux neutronique au-dessous d'un seuil S1 et inhibe alors le fonctionnementl. Le dispositif peut encore comprendre des moyens d'affichage ou d'enregistrement de 2 complétant les indications sur le. fonctionnement. La constitution matérielle du dispositif peut être très variable. A titre d'exemples, on donnera maintenant quelques réalisations possibles. - Le dispositif peut être entièrement analogique, le module 15 étant alors un simple app-areil fournissant la ten- sion efficace (tension RMS en terminologie a.ng.lo-saxonne). - Le dispositif peut être numérique et utiliser un organe de calcul tel qu'un microprocesseur. Dans ce cas, le signal de sortie de l'amplificateur 13 est appliqué à un convertisseur analogique/numérique. Une première solution consiste à effectuer l'ensemble des opérations-de calcul de o2, de division, de comparaison (ainsi éventuellement que le filtrage) à l'aide d'un processeur. Mais la cadence d'échantillonnage requise est telle que la vitesse de calcul nécessaire peut dépasser les possibilités d'un microprocesseur courant. Une seconde solution consiste, après échantillonnage, à effectuer des opérations successives de transformée de Fourier rapide sur une tranche de signal, puis de calcul de densité spectrale de puissance par des algorithmes disponibles, le volume de calcul. ne dépassant cette fois pas les capacités d'un microprocesseur du fait du travail en temps différé. - Enfin, on peut. utiliser, lorsqu'on souhaite une analyse complète de la réponse en fréquence et de la bande passante du détecteur, du matériel de laboratoire : voltmètre pour constituer et éventuellement enregistrer le courant I, analyseur de spectre à transformée de Fourier rapide, par exemple INTERTECHNIQUE I-N 110 ou NICOLET SCIENTIFIC 660, calculateur, par exemple HP 9845, couplé au voltmètre et à l'analyseur de spectre pour réaliser le filtrage par simple choix de la bande de fréquence utile et le calcul de valeur quadratique par intégration du spectre dans la bande utile, et les opérations dévolues aux organes 16, 17, 18 et 19 sur la Figure par simple calcul mathématique. Un tel système permet de suivre les modifications de la répartition en fréquence du signal de sortie du détecteur et d'en déduire notamment des indications sur la cause des anomalies éventuelles. Il peut être mis en oeuvre en permanence ou simplement pour compléter un diagnostic lorsque le système de surveillance permanente indique une a-nomalie. Le procédé reste valable dans le cas de capteurs ne comportant pas de zone de plateau. Il est notamment utilisable sur des détecteurs à énergie propre, tels que ceux désignés par les noms collectron et SPD. Quel que soit le dispositif, il peut être fixe pour réaliser une surveillance permanente ou mobile pour permett-re des contrôles pérTodiques ; il peut contrôler en séquence plusieurs capteurs, reliés au dispositif par un multiplexeur, ou un seul. REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle de capteur neutronique (10) pendant son fonctionnement, caractérisé en ce qu'on élabor-e une valeur représentative du quotient du courant I fourni par le capteur et la valeur quadratique a2 des fluctuations de ce courant dues au bruit de détection et on compare cette valeur à une plage déterminée correspondant au fonctionnement normal du capteur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on isole le bruit de détection dans le bruit total par filtrage passe-bande. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on isole le bruit dans une bande comprise entre environ 50 Hz et 5 kNz dans le cas d'un capteur sur réacteur nucléaire à eau légère. 4. Dispositif de contrôle de capteur neutronique pendant son fonctionnement, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (14a, 14b, 15) de calcul de la valeur quadratique (a2) du bruit de détection dans une plage de fréquence déterminée, des moyens (16) pour faire le quotient de ladite valeur et du courant statique du capteur (10) et des moyens (17) de comparaison du quotient et d'une plage déterminée de valeurs considérée comme normale. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de calcul de la valeur quadratique comportent un filtre passe-bande (14a) d'isolement du bruit de détection. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de calcul comportent également un filtre en peigne (14b) pour écarter les harmoniques de la fréquence de réseau. 7. Dispositif selon la revendication 4, 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comprend de plus des moyens pour inhiber le résultat de la comparaison lorsque la vitesse de variati-on du courant statique e-st supérieure à un seuil déterminé ou que ledit courant est inférieur à une valeur déterminée.