Brevet FR2619653A1 — publié le 19890224

i La présente invention concerne un système de diagnostic d'anomalies pour un coeur de réacteur nucléaire, qui délivre un signal de détection d'anomalie à un méca- nisme d'actionnement de barres de commande ou autre à la détection d'une anomalie dans le coeur d'un réacteur nu- cléaire, par exemple une élévation excessive de tempéra- ture dans le coeur du réacteur, de façon à arrêter le réacteur nucléaire. Lorsqu'une situation anormale survient dans le système du combustible d'un réacteur nucléaire, une barre de commande est enfoncée dans le coeur pour exécuter une commande de sécurité telle qu'un arrêt d'urgence. Classiquement, la réaction anormale du combus- tible d'un réacteur nucléaire est diagnostiquée en mesu- rant le débit et la température du fluide caloporteur au moyen d'un débitmètre et d'un thermomètre disposés à l'in- térieur du caisson ou de la cuve du réacteur, à proximité de la sortie du fluide caloporteur, et connectés par un câble à une unité de diagnostic externe, et en mesurant la densité de flux neutronique des ensembles combustibles au moyen d'un détecteur de neutrons inséré dans un inters- tice entre les ensembles combustibles et connecté par un câble à l'unité de diagnostic externe. Cependant, un tel système classique de diagnos- tic présente les inconvénients suivants. Premièrement, la détection et la signalisation d'une situation anormale par le détecteur disposé à la sortie de la cuve du réacteur ou dans un interstice entre les ensembles combustibles retarde la mise en oeuvre des contre-mesures de sécurité. Deuxièmement, il est impossible de remplacer facilement le détecteur disposé à proximité de la sortie du fluide caloporteur dans la cuve du réacteur ou dans un interstice entre les ensembles combustibles. Troisièmement, il est difficile de poser un câble reliant le détecteur à l'extérieur de la cuve du réacteur et la détérioration du câble diminue la fiabilité du diagnostic d'anomalies. Quatrièmement, lorsque le détecteur est inséré dans un interstice entre les ensembles combustibles, la densité de flux neutronique mesurée et la température mesurée pour un ensemble combustible dépendent de la posi- tion et de l'état de l'ensemble combustible et sont suscep- tibles de s'écarter des valeurs réelles, ce qui diminue donc la fiabilité du diagnostic d'anomalies. Par conséquent, un but de la présente invention est de fournir un système très fiable de diagnostic d'ano- malies pour un coeur de réacteur nucléaire, éliminant les inconvénients précédents du système classique de diagnostic d'anomalies, capable de mettre en oeuvre des contre-mesures de sécurité sans retard inacceptable, utilisant des détec- teurs qui peuvent être facilement remplacés, supprimant les difficultés de pose des câbles pour la détection d'anoma- lies, moins susceptible de provoquer la détérioration des câbles, et capable de donner des valeurs mesurées correc- tes indépendamment de la position et de l'état de l'ensem- ble combustible. Pour atteindre le but susmentionné, la présente invention fournit un système de diagnostic d'anomalies pour un coeur de réacteur nucléaire, comprenant: une unité détectrice d'anomalies disposée dans l'ensemble com- bustible, l'unité détectrice d'anomalies étant capable d'engendrer un signal d'écho qui est modifié à la détec- tion d'une anomalie dans le coeur du réacteur nucléaire et un émetteurrécepteur qui envoie un signal à l'unité de détection d'anomalies pour que l'unité de détection d'anomalies renvoie un signal d'écho qui délivre un signal de détection d'anomalie à un système de protection d'ins- tallation à la réception d'un signal d'écho accusant l'ap- parition d'une anomalie dans le coeur du réacteur nuclé- aire en provenance de l'unité détectrice d'anomalies. Les buts, caractéristiques et avantages ci- dessus, ainsi que d'autres, de la présente invention se dégageront mieux de la description suivante faite en re- gard des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma simplifié montrant la constitution générale du circuit d'un système de diagnostic d'anomalies, selon une première forme de réalisation de la présente invention: la figure 2 est une vue en élévation latérale d'une coupe schématique d'une cuve de réacteur, selon la première forme de réalisation de la présente invention; la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'un ensemble combustible, selon la première forme de réa- lisation de la présente invention; la figure 4 est un schéma de principe d'un sys- tème de diagnostic d'anomalies, selon une deuxième forme de réalisation de la présente invention la figure 5 est une représentation schématisée d'un système de diagnostic d'anomalies, selon une troi- sième forme de réalisation de la présente invention; la figure 6 est une vue en coupe longitudinale d'un ensemble combustible représenté sur la figure 5, selon la troisième forme de réalisation de la présente invention; et la figure 7 est une coupe longitudinale par- tielle d'une variante de l'ensemble combustible de la figure 6, dans un exemple de la troisième forme de réali- sation de la présente invention. Première Forme de Réalisation (figures 1, 2 et 3) En se reportant aux figures 1 à 3 incluse, on voit représentés plusieurs ensembles combustibles 2 qui sont disposés à l'intérieur d'une cuve de réacteur 1. Comme représenté sur la figure 3, chaque ensemble com- bustible 2 comprend un conduit 3 et plusieurs barreaux de combustible 4 contenus dans le conduit 3. Un fluide calo- porteur est introduit dans le conduit 3 par un orifice d'entrée 5 prévu. au fond de l'ensemble combustible 2 et échange de la chaleur avec les barreaux de combustible pour refroidir ceux-ci à mesure que le fluide caloporteur s'écoule vers un orifice de sortie 6 prévu à l'extrémité supérieure de l'ensemble combustible 2. Une unité détec- trice d'anomaliescomprend des thermocouples 7a et 7b servant à mesurer la température du fluide caloporteur, et une capsule d'écho 8 connectée aux thermocouples 7a et 7b. Les thermocouples 7a et 7b sont respectivement dispo- sés à proximité de l'orifice d'entrée 5 et de l'orifice de sortie 6 de l'ensemble combustible 2. Comme représenté sur la figure 1, la capsule d'écho 8 est associée à un émetteur-récepteur externe 9 par l'entremise d'ondes radioélectriques établissant entre eux une communication sans fil. L'émetteur-récepteur externe 9 émet une onde radioélectrique à destination de la capsule d'écho 8 et reçoit un écho radioélectrique d'une fréquence déterminée en provenance de la capsule d'écho 8. La fréquence normale de l'écho radioélectrique engendré par la capsule d'écho 8 varie lorsque cette der- nière détecte une anomalie dans le coeur du réacteur nu- cléaire. La capsule d'écho 8 comprend un circuit oscillant essentiellement constitué d'une bobine d'excitation 10, d'une diode à capacité variable 11, d'un condensateur 12 et d'un jeu de bornes 13 servant à connecter la capsule d'écho 8 aux thermocouples 7a et 7b. La diode à capacité variable 11 présente une capacité électrostatique fixe C correspondant à la force électromotrice V des thermocou- ples 7a et 7b, et la fréquence de résonance Hf de la capsule d'écho 8 correspond à la capacité électrostatique C de la diode à capacité variable 11. Lorsque la fréquence normale de la capsule d'écho 8 est modifiée, l'émetteur-récepteur externe 9 délivre un signal de détection d'anomalie, par l'inter- médiaired'un câble 14, à un système 15 de protection d'installation, par exemple à destination d'un mécanisme d'actionnement de barres de commande. En service, l'émetteur-récepteur externe 9 émet une onde radioélectrique impulsionnelle à la fréquence de résonance Hf pour exciter la capsule d'écho 8. Lors- qu'aucune anomalie n'est trouvée dans le coeur du réacteur nucléaire, la capsule d'écho émet un écho radioélectrique représentant une situation normale. L'émetteur-récepteur externe 9 reçoit l'écho radioélectrique et mesure la fré- quence de cet écho. En supposant qu'une anomalie soit survenue dans le coeur du réacteur nucléaire et que la différence de température entre le fluide caloporteur passant à l'ori- fice d'entrée 5 et le fluide caloporteur passant à l'ori- fice de sortie 5 ait été amenée à s'écarter d'une diffé- rence de température prise comme référence, la différence des forces thermo-électromotrices entre les thermocouples 7a et 7b est modifiée et la capacité électrostatique de la diode à capacité variable 11 est également modifiée. En conséquence, la fréquence de résonance de la capsule d'écho 8 est modifiée et, par suite, la fréquence de l'écho radioélectrique est également modifiée. A la détec- tion d'une modification de la fréquence de l'écho radio- électrique, l'émetteur-récepteur externe 9 délivre le signal de détection d'anomalie par le câble 14 au système de protection d'installation 15 pour que le mécanisme d'actionnement des barres de commande arrête le réacteur nucléaire. Dans le cas o le fonctionnement de la capsule d'écho 8 est défectueux, l'écho radioélectrique est interrompu. En conséquence, le mauvais fonctionnement de la capsule d'écho 8 peut être détecté par la détection de l'interruption de l'écho radioélectrique. Si les ensembles combustibles 2 respectifs sont équipés de capsules d'écho ayant respectivement des fré- quences de résonance différentes, un ensemble combustible 2 anormal peut être identifié parmi tous les ensembles combustibles 2. Deuxième Forme de Réalisation (figure 4) Dans la deuxième forme de réalisation, la capsule d'écho 8 comporte un circuit oscillant comprenant un oscil- lateur dont la fréquence est celle d'un mode normal de vi- bration, tel qu'un oscillateur à quartz 16. La fréquence du mode normal de vibration varie en fonction de la tem- pérature. Troisième Forme de Réalisation (figures 5, 6 et 7) Selon une troisième forme de réalisation de la présente invention, un système de diagnostic d'anomalies comprend un émetteur-récepteur externe d'ultrasons 17 dis- posé à l'extérieur d'une cuve de réacteur 1. Un élément réflecteur d'ultrasons 18, constituant un moyen pour détec- ter une anomalie, est disposé au sommet de chaque ensemble combustible 2 de manière à réfléchir une onde ultrasonore émise par l'émetteur-récepteur d'ultrasons 17 en la ren- voyant vers un point déterminé de cet émetteur-récepteur 17. L'élément réflecteur d'ultrasons 18 est constitué d'un alliage à mémoire de forme. L'élément réflecteur d'ultra- sons 18 se déforme lorsqu'il est chauffé à une température prédéterminée de rétablissement de la forme mémorisée, et il se produit ainsi un changement de la direction de ré- flexion des ondes ultrasonores par l'élément réflecteur d'ultrasons 18. Selon une variante, l'élément réflecteur d'ultra- sons 18 peut être fixé à l'un des barreaux de combustible 4, comme représenté sur la figure 7. L'émetteur-récepteur d'ultrasons 17 décide qu'une situation anormale est appa- rue dans les ensembles combustibles 2 lorsqu'il ne peut plus recevoir d'écho ultrasonore. En service, tous les éléments réflecteurs d'ultrasons 18 réfléchissent en direction de l'émetteur- récepteur d'ultrasons 17 l'onde ultrasonore émise par ce dernier, en renvoyant ainsi un écho ultrasonore. Lorsque la température du fluide caloporteur s'élève jusqu'à la température prédéterminée de rétablissement de la forme mémorisée, sous l'effet d'une anomalie survenue dans le coeur du réacteur nucléaire, les éléments réflecteurs d'ultrasons 18 se déforment en changeant leurs directions respectives de réflexion. En conséquence, l'émetteur- récepteur d'ultrasons 17 ne peut plus recevoir aucun écho ultrasonore. Ainsi, l'émetteur-récepteur d'ultrasons 17 détecte l'anomalie et délivre un signal de détection d'ano- malie à un système 15 de protection d'installation. Si l'élément réflecteur d'ultrasons 18 est cons- titué d'un alliage à mémoire de forme dans lequel une ma- tière fissile est dispersée ou prise en sandwich, la tem- pérature de l'élémentréflecteur d'ultrasons 18 est amenée à s'élever jusqu'à la température de rétablissement de la forme mémorisée sous l'effet d'une augmentation anormale de la densité du flux neutronique, tout autant que par l'élévation de la température du fluide caloporteur. Il est également possible d'identifier un ensem- ble combustible 2 o est apparue une situation anormale en recherchant l'ensemble combustible 2 duquel l'émetteur- récepteur d'ultrasons 17 ne peut plus recevoir d'écho ultrasonore. Comme il ressort de la description précédente, le système de diagnostic d'anomalies pour coeur de réacteur nucléaire, selon la présente invention, procure les avan- tages suivants: (1) L'unité détectrice d'anomalies logée dans l'ensemble combustible détecte directement une anomalie dans les ensembles combustibles, et un signal accusant une anomalie est transmis par liaison sans fil de la cap- sule d'écho à l'émetteur-récepteur. Par conséquent, l'ano- malie survenant dans le coeur du réacteur nucléaire peut être immédiatement détectée et des contre-mesures d'urgence pour arrêter le réacteur nucléaire peuvent être mises en oeuvre sans retard. (2) Etant logée dans l'ensemble combustible, l'unité détectrice d'anomalies peut être retirée du réac- teur et être facilement remplacée. (3) Etant donné que l'unité détectrice d'anoma- lies communique avec l'émetteur-récepteur par une liaison sans fil, l'unité détectrice d'anomalies et l'émetteur- récepteur n'ont pas à être reliés par un câble, et de ce fait, le système de diagnostic d'anomalies supprime les difficultés associées à la pose d'un câble et les problè- mes imputables à la détérioration du câble, ce qui améliore la fiabilité du diagnostic d'anomalies. (4) Etant donné que la fonction diagnostique du système de diagnostic d'anomalies n'est pas affectée par la position et l'état des ensembles combustibles, le sys- tème de diagnostic d'anomalies offre une grande fiabilité. (5) Même si l'unité détectrice d'anomalies devait cesser de fonctionner correctement, le mauvais fonctionne- ment de l'unité détectrice d'anomalies pourrait être discerné en détectant la disparition du signal d'écho. (6) Des contre-mesures d'urgence peuvent être immédiatement mises en oeuvre sans retard pour arrêter le réacteur nucléaire dans le cas o une anomalie survient dans le coeur du réacteur et, de ce fait, on peut obtenir le maximum de combustion massique sans encourir aucun danger, ce qui améliore l'économie de combustible réalisée par le réacteur nucléaire. Bien que l'invention ait été décrite sous cer- taines de ses formes de réalisation particulières et pré- férées, il est bien entendu que de nombreuses variantes et modifications peuvent être apportées à ce qui a été spécifiquement décrit dans le présent mémoire, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Système de diagnostic d'anomalies pour un coeur de réacteur nucléaire, caractérisé par le fait qu'il comprend: (a) une unité détectrice d'anomalies logée dans un ensemble combustible (2) et comprenant une capsule d'écho (8) composée d'un circuit oscillant servant à en- gendrer un signal d'écho qui est modifié dans le cas o une anomalie survient dans le coeur du réacteur nucléaire, et des capteurs (7a, 7b) sensibles à des conditions régnant dans le coeur du réacteur nucléaire; et (b) un émetteur-récepteur (9) qui émet une onde radioélectrique vers l'unité détectrice d'anomalies pour que l'unité détectrice d'anomalies engendre un signal d'écho, qui reçoit le signal d'écho engendré par l'unité détectrice d'anomalies, qui examine le signal d'écho et qui décide de l'apparition d'une anomalie dans le coeur du réacteur nucléaire et délivre un signal de détection d'ano- malie à un système (15) de protection d'installation en cas de détection d'un écart entre le signal d'écho et un mode de référence du signal. 2. Système de diagnostic d'anomalies selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit oscillant comprend une bobine d'excitation (10), une diode à capacité variable (11) et un condensateur (12). 3. Système de diagnostic d'anomalies selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les capteurs (7a, 7b) sont des thermocouples servant à mesurer la tem- pérature du fluide caloporteur, qui sont respectivement disposés à proximité de l'orifice d'entrée (5) du fluide caloporteur et à proximité de l'orifice de sortie (6) du fluide caloporteur d'un ensemble combustible (2). 4. Système de diagnostic d'anomalies selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les ensembles combustibles (2) sont respectivement équipés de capsules d'écho (8) dont les fréquences de résonance respectives sont différentes, et un ensemble combustible (2) anormal peut être identifié parmi plusieurs ensembles combustibles (2) lorsqu'est modifiée la fréquence de résonance de la capsule d'écho (8) logée dans l'ensemble combustible (2) anormal. 5. Système de diagnostic d'anomalies pour un coeur de réacteur nucléaire, caractérisé par le fait qu'il comprend: (a) une unité détectrice d'anomalies logée dans un ensemble combustible (2) et comprenant un circuit oscillant servant à engendrer un signal d'écho qui est modifié dans le cas o une anomalie survient dans le coeur du réacteur nucléaire, ce circuit oscillant étant équipé d'un oscillateur dont la fréquence est celle d'un mode de vibration normal qui varie en fonction de la température et (b) un émetteur-récepteur (9) qui émet une onde radioélectrique vers l'unité détectrice d'anomalies pour que l'unité détectrice d'anomalies engendre un signal d'écho, qui reçoit le signal d'écho engendré par l'unité détectrice d'anomalies, qui examine le signal d'écho, et qui décide de l'apparition d'une anomalie dans le coeur du réacteur nucléaire et délivre un signal de détection d'anomalie à un système (15) de protection d'installation en cas de détection d'un écart entre le signal d'écho et un mode de référence du signal. 6. Système de diagnostic d'anomalies selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'oscillateur est un oscillateur à quartz (16). 7. Système de diagnostic d'anomalies pour un coeur de réacteur nucléaire, caractérisé par le fait qu'il comprend: (a) une unité détectrice d'anomalies comprenant des éléments réflecteurs d'ultrasons (18) respectivement disposés sur des ensembles combustibles (2), les éléments réflecteurs d'ultrasons (18) étant capables de changer de forme lorsqu'ils sont chauffés à leur température de rétablissement de forme mémorisée; et (b) un émetteur-récepteur d'ultrasons (17) qui émet une onde ultrasonore vers les éléments réflecteurs d'ultrasons (18), qui reçoit les ondes ultrasonores res- pectivement réfléchies par les éléments réflecteurs d'ultrasons (18) et qui délivre un signal de détection d'anomalie à un système (15) de protection d'installation lorsqu'ilne peut plus recevoir l'onde ultrasonore réflé- chie par l'un quelconque des éléments réflecteurs d'ultra- sons (18). 8. Système de diagnostic d'anomalies selon la revendication 7, caractérisé par le fait que les éléments réflecteurs d'ultrasons (18) sont constitués d'un alliage à mémoire de forme et sont disposés de manière à réfléchir l'onde ultrasonore vers l'émetteur-récepteur d'ultrasons (17) lorsque la température du fluide caloporteur s'écou- lant à travers les ensembles combustibles (2) qui leur sont respectivement associés est inférieure à leur température de rétablissement de forme. 9. Système de diagnostic d'anomalies selon la revendication 8, caractérisé par le fait que les éléments réflecteurs d'ultrasons (18) contiennent une matière fissile. 10. Système de diagnostic d'anomalies selon la revendication 7, caractérisé par le fait que chaque ensem- ble combustible (2) est équipé d'un élément réflecteur d'ultrasons (18), et un ensemble combustible (2) dont l'état est anormal peut être identifié en recherchant l'ensemble combustible (2) duquel l'émetteur- récepteur (17) ne peut pas recevoir d'écho ultrasonore.