Brevet FR2569041A1 — publié le 19860214

Procédé et dispositif de contrôle par ressuage de l'étanchéité des gaines d'un assemblage de combustible nucléaire L'invention a pour objet un procédé et un dispo- sitif de contrôle par ressuage de l'étanchéité des gaines d'un assemblage de combustible nucléaire. Elle est notamment applicable au cas des assemblages utilisés dans les réacteurs refroidis et modérés à l'eau qui com- portent un faisceau d'éléments de combustible maintenus assembles par un squelette. Les assemblages de combustible-doivent être vé- rifiés systématiquement dans plusieurs situations. Les assemblages déjà irradiés, mais non épuisés, doivent être vérifiés avant de les recharger dans le coeur. Les assemblages épuisés arrivant en fin de cycle et ayant séjourné en piscine de désactivation doivent être vérifiés avant de les envoyer à une installation de retraitement. Des précautions supplémentaires sont en effet à prendre lors du retraitement et au cours du dé- mantèlement des assemblagges présentant des éléments fuitards. La méthode la plus utilisée pour contrôler l'étanchéité des gaines est celle du ressuage, consis- tant à provoquer l'augmentation de la pression des gaz dans les gaines par augmentation de la température (aug- mentation obtenue par chauffage d'appoint. ou par la puissance thermique résiduelle du combustible) de façon que des produits de fission s'échappent en cas de dé- faut, et à mesurer l'activité ou l'augmentation d'acti- vité d'un fluide balayant les gaines de l'assemblage inspecté. Différents produits de fission s'échappent par les fissures éventuelles. Ces produits peuvent comporter des gaz, tels que le xénon 133, et des produits solubles dans l'eau, tels que l'iode 131. Lorsque l'assemblage soumis au contrôle a subi une désactivation, les pro- duits de fission gazeux sont peu abondants ou ont des paramètres difficilement mesurables en ligne. L'analyse d'un gaz de balayage de l'assemblage donne donc des résultats peu significatifs. Par contre, de tels assem- blages contiendront des produits de fission solubles dans l'eau, iode 131 pour les assemblages à court temps de refroidissement et isotopes 134 et 137 du césium pour les longs temps de refroidissement et la surveillance d'une circulation d'eau ayant balayé l'assemblage per- mettra de déceler les défauts. Inversement, une telle circulation d'eau ne permettra pas de déceler directe- ment les produits de fission révélant une gaine défec- tueuse dans un assemblage prématurément déchargé d'un réacteur et immédiatement soumis au contrôle. Des ins- tallations complémentaires d'analyses séparées des échantillons d'eau seront requises, alors que la sur- veillance d'une circulation de gaz permet d'obtenir des résultats significatifs. On connait déjà (FR-A-2 389 202) un procédé de contrôle de l'étanchéité des gaines d'un assemblage de combustible nucléaire suivant lequel: on place l'assem- blage dans un alvéole immergé dans une piscine de pro- tection; on porte par chauffage l'assemblage à tempéra- ture déterminée; on fait circuler à travers l'alvéole un fluide d'entraînement des produits de fission gazeux s échappant éventuellement par les défauts; et on me- sure l'activité du fluide sortant de l'alvéole. Le dis- positif décrit dans ce document comporte des plaques chauffantes intégrées à l'alvéole, permettant de porter rapidement à la température requise ceux des assemblages qui n'ont qu'une puissance thermique résiduelle faible, Il comporte également des moyens permettant d'effectuer le contrôle soit par aspiration d'eau ayant balayé l'as- semblage, soit par extraction de gaz de barbotage. L'invention vise à fournir un procédé et un dispositif permettant de mesurer, simultanément ou suc- cessivement, la teneur en produits de fission solubles dans l'eau et en produits de fission gazeux, pratique- ment en temps réel. L'invention vise également à per- mettre d'obtenir des mesures fournissant une évaluation de la géométrie du défaut. Dans ce but, l'invention propose notamment un procédé du type ci-dessus défini caractérisé en ce qu'on introduit à la fois, pour constituer le fluide, de l'eau et du gaz inerte qu'on sépare à la sortie de l'alvéole, et on fait circuler l'eau et le gaz inerte dans des bou- cles distinctes de façon à détecter, simultanément et en continu, d'une part, les produits de fission solubles dans l'eau, d'autre part, les produits de fission en- trainés par le gaz. On maintient avantageusement un vo- lume constant dans la boucle d'eau. L'eau et le gaz sont avantageusement mélangés en les introduisant séparément à la base de l'alvéole et en leur faisant traverser en- semble un filtre d'homogénéisation, avant de faire lé- cher l'assemblage par le mélange. L'invention propose également un dispositif de détection comprenant une cellule à double paroi destinée à être immergée verticalement dans une piscine et à re- cevoir un alvéole à assemblage combustible, la cellule comportant des moyens de réglage du niveau de l'eau à l'intérieur de la double paroi et des moyens pour faire circuler de l'eau et du gaz, en leur faisant balayer l'assemblage, dans un circuit comportant des moyens de mesure d'activité, caractérisé en ce que le circuit com- porte une boucle d'eau et une boucle de gaz qui ont, dans l'alvéole, une partie commune comprenant un filtre d'homogénéisation placé en bas de l'alvéole et des moyens pour injecter l'eau et le gaz dans l'alvéole au- dessous du filtre. Cette disposition permet de maintenir des condi- tions de contrôle très reproductibles, notamment en ce qui concerne les paramètres physiques (température, pression, temps de réponse). A partir des valeurs mesu- rées et de leur évolution, on déduit une cinétique de relâchement permettant d'apprécier la nature du défaut et également son importance. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier d'exécu- tion, donné à titre d'exemple non limitatif. La des- cription se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la Figure 1 est un schéma de principe montrant une cellule à double paroi appartenant au dispositif suivant l'invention, représentée en coupe suivant un plan vertical passant par son axe; - la Figure 2 est une vue de détail à grande échelle montrant la partie basse de la cellule de la Fi- gure; - la Figure 3 est un schéma de circulation des fluides dans l'ensemble du dispositif; - les Figures 4a, 4b et 4_ montrent le niveau d'eau dans la cellule à plusieurs phases de fonctionne- ment. Le dispositif qui sera maintenant décrit à titre d'exemple comporte une cellule de ressuage 10 (Figures 1 et 2) ayant une constitution générale similaire à celle décrite dans le document FR-A-2 389 202, associée à un circuit de circulation et de mesure comportant une bou- cle d'eau 12 et une boucle de gaz 14 (Figure 3). La cellule 10 est prévue pour être placée sur le fond d'une piscine de protection biologique munie à cet effet de pieds réglables 16. Elle comporte une structure externe à deux parois cylindriques coaxiales verticales 18 et 20, délimitant un espace annulaire 22. reliées par une plaque de fond solidaire d'une embase 24 munie de pieds. Un plateau 26 relie les extrémités hautes des pa- rois 18 et 20. Des ouvertures 28 pratiquées à la partie basse des parois 18 et 20 livrent passage à l'eau de la piscine. Un piquage 30 relié à l'extrémité haute de l'espace annulaire 22 est prévu pour être alimenté en gaz par une conduite souple 31. Le plateau 26 est prévu pour servir d'appui à une boite à eau 32 constituant la partie supérieure d'un alvéole 34 de réception d'un assemblage combustible à contrôler {schématisé en A). La boite à eau est munie d'un piquage 33 destiné à être relié à une conduite de sortie d'eau 34. Le bas de la boite à eau est relié à une structure tubulaire rigide 35 qui se prolonge vers le haut par une partie 36 évasée pour faciliter l'intro- duction de l'assemblage et qui se prolonge vers le bas par un embout cylindro-conique 37 percé d'une ouverture axiale 38. Sur l'embout 37 repose une plaque 40 d'appui de l'assemblage, percée d'un trou central de grande di- mension permettant le passage d'un mélange gaz-eau de balayage de l'assemblage, comme on le verra plus loin. L'embout 37 est prévu pour recevoir le gaz et le liquide destinés à balayer l'assemblage contenu dans la cellule et à les mélanger de façon intime. Pour cela, il comporte une arrivée d'eau 42 et une arrivée de gaz 44 débouchant dans un intervalle annulaire étroit délimité par la paroi de l'embout 37 et une paroi 46 qui lui est parallèle. Le gaz et l'air introduits doivent ainsi con- tourner la paroi 46 pour arriver à un filtre-crépine 48 d'entrée dans l'alvéole, filtre conteenant une masse d'émulsionnement 50 qui pourra par exemple être en toile métallique. L'embase 24 porte un obturateur prévu pour sépa- rer l'intérieur de l'alvéole de l'eau de la piscine lorsque l'alvéole est en place. Ce dispositif comprend un bouchon 52 soumis à l'action d'un ressort de ferme- ture 54. Le ressort 54 prend appui sur une plaque 56 mu- nie de doigts coulissants de retenue de l'embase 24 (F- igure 2). Lorsque la cellule et l'alvéole sont en place, le poids de l'alvéole comprime le ressort qui maintient le bouchon appliqué et au surplus permet de compenser les dilatations différentielles. Si l'on soulève l'alvé- ole avec la cellule, le ressort n'est plus comprimé par l'appui de la plaque 56 sur le fond de la piscine. L'al- véole peut alors se vider lorsqu'on le soulève. - L'alvéole comporte enfin un couvercle 58 amovi- ble pour permettre l'introduction et l'enlèvement de l'assemblage. Ce couvercle est muni d'une tubulure 60 centrale pour l'échappement des gaz et d'un évent 62 (Figure 1). Le couvercle sera généralement prévu pour s'ouvrir par translation, par exemple sous l'action d'un vérin 64 (Figure 3). La structure tubulaire 35 délimite, avec la pa- roi 18, un espace annulaire 66 qui, comme l'espace 22, peut être à volonté rempli d'eau ou au contraire de gaz en chassant l'eau par admission de gaz inerte sous pres- sion par le piquage 30. Le gaz est ainsi directement ad- mis dans l'espace 22. Il passe- dans l'espace 66 par des trous 70 ménagés dans la partie haute de la paroi 18. Le remplacement de l'eau par le gat dans les espaces 22 et 66 diminue les pertes thermiques de l'assemblage vers l'eau de la piscine et permet de régler la température atteinte sous l'action de la puissance thermique rési- duelle et mesurée par des sondes 68. Aucun joint d'étanchéité n'est nécessaire car les pressions interne et externe agissant sur la cellule sont équivalentes. Les appuis assurent une étanchéité suffisante pour éviter un mélange gênant de l'eau du circuit d'analyse et de celle de la piscine. Enfin, il est possible de prévoir, sur le corps de l'alvéole, des éléments électriques chauffants dans la mesure o l'on souhaite pouvoir accélérer la montée en température des éléments de combustible à vérifier. La cellule montrée en Figures 1 et 2 peut être associée à un circuit du genre montré en Figure 3. La boucle d'eau 12 de ce circuit constitue un ensemble fermé muni d'une pompe 72 de circulation dans le sens indiqué par la flèche f0. La pompe 72, ainsi que tous les autres éléments du circuit autres que la cel- lule 10, est placée au-dessus du niveau de l'eau dans la piscine et dans une enceinte de protection biologique, comportant par exemple des plaques en plomb. La boucle comprend un réchauffeur 74, généralement à résistance électrique, et un refroidisseur 76 fonctionnant, par exemple, avec de l'eau provenant d'un circuit extérieur et rejetée à la piscine. Des moyens, non représentés, permettent de régler l'action du réchauffeur et du re- froidisseur et de maintenir ainsi une température choi- sie avec précision. La boucle 12 comprend encore un ap- pareil de prise d'échantillon 78, qui ne sera pas décrit car il peut être classique, et un appareil de mesure en continu de -l'activité. Cet appareil peut comporter un détecteur 80 qui mesure le rayonnement émis par l'eau occupant une chambre 82 placée en dérivation et munie de vannes d'isolement, ce qui permet d'isoler un échantil- lon de volume connu et constant. La chambre 82 doit être réalisée de façon à diminuer les dépôts de produits d'activation. Elle sera généralement polie intérieure- ment et constituée en aluminium anodisé. L'appareil de détection sur la boucle d'eau 12 devra être prévu pour mesurer l'activité des produits de fission solubles dans l'eau, qui seront essentiellement l'iode 131 pour les assemblages à court temps de refroidissement et les isotopes 134 et 137 du césium pour les assemblages ayant subi un long refroidissement. Enfin, la boucle 12 comprend des moyens annexes permettant de la remplir en eau déminéralisée et de la vider. La boucle de gaz 14, montée entre la tubulure 60 et le piquage 44, comprend successivement un condenseur 84 à effet de détente permettant d'éliminer les vapeurs condensables et un dispositif anti-remontée d'eau 46 à - 8 blocage par flotteur. La boucle 14 comprend ensuite une pompe aspirante 88, un détecteur de rayonnement gamma 90 et un appareil de prise d'échantillon 92 d o l'eau re- vient au piquage 44. Le détecteur de rayonnement gamma 90 peut être de type classique. Il doit être prévu pour permettre la mesure indépendante de la teneur en xénon 133 et en krypton 85. On peut notamment utiliser un dé- tecteur utilisant un cristal scintillateur à iodure de sodium 94 qui est associé à un analyseur multi-canaux. La boucle peut être complétée par une prise de soutirage de gaz 96 permettant de limiter les pertes de gaz par l'évent au cours de l'élévation de la température. Enfin, le circuit comporte un circuit de réglage de l'isolement thermique par les espaces 22 et 66. Ce réglage s'effectue par admission ou échappement de gaz inerte (azote par exemple) à travers des vannes respec- tives 98 et 100 actionnées à la demande. La mise en oeuvre du procédé suivant l'invention peut s'effectuer suivant diverses séquences. Celle qui sera décrite maintenant semble la plus avantageuse dans la plupart des cas. Un assemblage combustible étant en place dans la cellule 10, on procède au remplissage des boucles et à la mise en circulation des fluides. La boucle d'eau 12 et l'ensemble de la cellule se remplissent par simple mise en circulation à l'aide de la pompe 72. Ou gaz est. ensuite introduit par la tu- bulure 60 jusqu'à ce qu'il s'échappe par l'évent 62 (Fi- gure 4a). L'échappement de bulles de gaz par l'évent 62 correspond à une pression bien déterminée à l'intérieur de la boucle 14. Une fois assurée cette mise en pres- sion, on soutire, à l'aide de la vanne 96, une quantité de gaz choisie par l'opérateur, pour faire remonter la surface libre jusqu'à une hauteur h prédéterminée au- dessus de l'évent 62 (Figure 4b). Une hauteur h0 d'envi- ron 40 mm sera généralement satisfaisante. Elle permettra d'éviter, aux températures de fonctionnement normalement rencontrées, l'échappement de gaz par l'évent 62. En conséquence, les masses d'eau et de gaz contenues dans les boucles respectives resteront cons- tantes (si l'on excepte l'apport du gaz provoqué par dégazage de l'eau contenue dans la- cellule 10). L'eau et le gaz sont alors mis en circulation dans les boucles 12 et 14 et, en même temps, le réchauf- feur 74 est commandé de façon que la température mesurée par les capteurs 68 atteigne un niveau déterminé. Une fois la température de régime atteinte, la surface libre se stabilise à un niveau supérieur au niveau antérieur, correspondant par exemple à hi = 15 mm (Figure 4c). En cas de dilatation excessive du gaz dans la boucle 14, les pressions extérieure et extérieure restent équili- brées du fait qu'il y a alors échappement de gaz par l'évent 62 si on atteint hl = 0. Le mélange d'eau et de gaz qui balaie l'assem- blage se fractionne dans la partie évasée 36 protégée par une garde d'eau. Le gaz se rassemble dans la partie haute de la boite à eau 32. L'évent 62 étant à un niveau supérieur à celui du piquage 31, il ne peut y avoir pas- sage de gaz dans la boucle d'eau 12. En d'autres termes, le piquage 33 reste toujours protégé par une garde hy- draulique. Dans la boucle d'eau, le détecteur 80 permet de mesurer l'activité d'échantillons successifs isolés dans la chambre de comptage 82. Le détecteur 80 et la chambre associée 82 seront en général étalonnés en laboratoire pour permettre de comparer la loi de variation d'activi- té dans le temps pour les produits de fission provenant de l'assemblage et la loi de variation pour une solution étalon connue. Un contrôle ultérieur, hors ligne, peut être prévu sur les échantillons prélevés par l'appareil 78. De la même façon, le détecteur 94 sera utilisé pour déterminer l'évolution dans le temps des pics ca- ractéristiques de Xe 133 et Kr 85. Là encore, un con- trôle a posteriori peut être effectué sur les échantil- lons prélevés à l'aide de l'appareil 92. Les mesures d'activité sont effectuées alors que l'assemblage est maintenu à température constante, fixée par le réchauffeur 74 et éventuellement le refroidisseur 76 commandé par une boucle de régulation, alors que l'alvéole est isolé thermiquement de la piscine par chasse de l'eau hors des espaces 22 et 66. Une fois un assemblage contrôlé, il est extrait et remplacé par un autre. L'extraction s'effectue de fa- çon classique, à l'aide d'une pince télécommandée, après ouverture du couvercle 58 à l'aide du vérin 64. - 11 - REVENDICATIONS 1. Procdé de contrôle par ressuaqe de l'étanchéi- té des gaines d'un assemblage de combustible nucléaire, sui- vant lequel on provoque l'augmentation de la pression des gaz dans les gaines de l'assemblage par augmentation de la temp'rature de façon que des produits de fission s'échappent on cas de défaut et on mesure l'activité ou l'augmentation d'activité d'un fluide balayant les gaines de l'assemblage placé dans un alvéole (34), caractérisé en ce qu'on intro- duit à la fois, Pour constituer le. fluide, de l'eau et du gaz inerte qu'on sépare à la sortie de l'alvé ole et on fait circuler l'eau et le gaz inerte dans des boucles distinctes de façon à détecter en continu d'une part les produits de fission solubles dans l'eau, d'autre part les produits de fission entrainrs par le gaz. 2. Procédé suivant la revendication 1, car en ce qu'on maintient un volume constant dans la boucle d'eau. 3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, car en ce qu'on m'lange l'eau et le gaz en les introduisant séparé- ment à la base de l'alvéole (34) et en leur faisant traver- ser ensemble un filtre d'homogcrénisation (48), avant de faire lécher l'assemblage par le melange. 4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'on introduit le gaz et l'eau à la base de l'alvéole, en ce qu'on sépare le gaz de l'eau dans une boite à eau pla- cée au-dessus de l'alvéole et en ce qu'on extrait le gaz au sommet de la boite à eau et l'eau par un piquage placé à une hauteur inférieure à celle d'une garde hydraulique pré- vue dans la boite à eau. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce qu'on maintient l'assem- blage en cours de contrôle à une tempe rature constante. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce qu'on mesure l'activité du gaz à l'aide d'un détecteur (94) sensible à l'énergie et associé à un analyseur multi-canaux, de façon à pouvoir dcé- 2-569041 - 12 - terminer séparément la teneur en xénon et krypton radioac- tifs dans le qaz. 7. Dispositif de détection de défauts d'étanchéi- té de gaine dans un assemblage de combustible nucléaire, comprenant une cellule (10) à double paroi (18,20) destinée à être immergé e verticalement dans une piscine et à recevoir un alvéole (34) à assemblage combustible, la cellule étant associée à des moyens (98,100) de réglage du niveau de l'eau à l'intérieur de la double paroi et à des moyens pour faire circuler de l'eau et du qaz,en leur faisant balayer l'assemblage dans un circuit comportant des moyens de mesure d'activité (80,82,90,94), caractérisé en ce que le circuit comporte une boucle d'eau (12) et une boucle de gaz (14) qui ont, dans l'alvéole (34), une partie commune comprenant un filtre d'homon5éisation (48,50) placé en bas de 1'alvé- ole et des moyens pour injecter l'eau et le qaz dans l'al- véole au-dessous du filtre. 8. Dispositif selon la revendication 7, caracté- risé en ce que l'espace compris entre les deux parois (18, 20) communique à sa base avec la piscine et est muni à sa partie haute de moyens (30) permettant d'injecter du raz sous pression dans l'espace pour en chasser l'eau et isoler thermiquement l'aléole de la piscine. 9. Dispositif selon la revendication 7 ou 8, ca- ractérisé en ce que l'alvéole se termine à sa partie supé- rieure par une partie évasée (36) placée dans une boîte à eau et de séparation gqaz-eau (32) munie d'un ajutaqe supé- rieur (60) de départ de gaz et d'un piquage latéral (33) d'extraction d'eau placé à un niveau inférieur à l'extrémité haute de la partie évasée. 10. Dispositif selon la revendication 9, caracté- risé en ce que la boîte à eau est munie d'un évent placé à un niveau supérieur à l'extrémité haute de la partie évasée (36) et à celui des moyens d'extraction d'eau (33).