Brevet FR2642560A1 — publié le 19900803

L'invention concerne un procédé et un dispo- sitif *de détection par ultrasons de crayons combusti- bles non étanches dans un assemblage combustible d'un réacteur nucléaire. Les assemblages combustibles des réacteurs nucléaires tels que les réacteurs refroidis par de l'eau sous pression sont réalisés sous la forme de faisceaux de crayons combustibles de grande longueur maintenus dans.des dispositions o les crayons sont parallèles entre eux, par une ossature rigide fermée par deux embouts d'extrémité. Chacun des crayons combustibles est consti- tué par une gaine tubulaire, généralement en un allia- ge de zirconium renfermant 'des pastilles de matériau combustible frittées et fermée à ses extrémités par des bouchons étanches, de manière que les pastilles de matériaux combustibles soient en contact avec un gaz inerte sous pression introduits dans la gaine. Apres un certain temps de présence dans le réacteur nucléaire en fonctionnement, certains crayons- des assemblages combustibles du coeur peuvent être de- venus défectueux par suite de la formation de fissures dans leur gaine, sous l'effet des contraintes mécani- ques ou chimiques subies par ces crayons combustibles. Les fissures traversant la gaine des crayons combustibles défectueux laissent échapper le -gaz contenu dans la gaine qui peut renfermer des produits radio-actifs. L'eau de refroidissement du réacteur est susceptible de venir en contact direct avec les pas- tilles de crayons combustibles, ce qui peut conduire à la détérioration ou même à la destruction complète de ces pastilles et du crayon combustible. Il est donc nécessaire de détecter très ra- pidement les assemblages combustibles du coeur dans lesquels un ou plusieurs crayons combustibles peuvent présenter des fuites. Pendant les opérations de rechargement du coeur du réacteur nucléaire, les assemblages combusti- bles sont placés sous eau dans une piscine, avant d être rechargés dans le coeur ou remplacés par des assemblages neufs. On a proposé divers procédés de contrôle des assemblages combustibles placés sous eau dans une pis- t10 cine, de manière à détecter et/ou à localiser des crayons combustible présentant des fuites dans ces as- semblages. La solution la plus courante consiste à pla- cer les assemblages extraits d'un réacteur nucléaire, dans une cellule o ces assemblages sont chauffés de manlere que la pression des gaz de fission contenus dans les crayons combustibles augmente et que ces gaz s échappent dans la cellule par les fissures des crayons défectueux. Cette méthode ne permet cependant pas d'identifier les crayons défectueux à remplacer. On a proposé d'autre part de nombreuses techniques de détection par ultrasons des crayons com- bustibles présentant des fuites. En particulier, dans la demande de brevet d'invention FR-A-2.538.155, on a proposé un procédé et un dispositif de détection d'éléments combustibles défectueux, par une méthode d'absorption ultrasonore. On émet dans la gaine de l'élément combustible, à par- tir d'une extrémité de cette gaine constituée par un bouchon, un train d'ondes ultrasonores à une fréquence et d'une durée choisies pour que la propagation s'ef- fectue en ondes de Lamb. On réalise la détection des échos, au niveau du bouchon à partir duquel on émet les ondes ultrasonores, pour des fréquences différen- tes, situées dans une plage de fréquences dont une fraction correspond à une absorption notable par l'eau éventuellement contenue dans la gaine et une autre à une formation importante d'un écho sur un défaut méca- nique de la gaine. En effet, dans le cas o une gaine est fis- surée, les pastilles contenues dans cette gaine se trouvent en contact avec un film d'eau qui s'est in- filtrée dans le crayon combustible, lorsque la pres- sion du gaz de remplissage est devenue suffisamment faible. Ce film d'eau entourant les pastilles à l'in- térieur de la gaine provoque une atténuation très importante des ondes de Lamb en mode S0 c'est-à-dire des ondes ultrasonores à une fréquence telle qu'elles se propagent en mode de plaque à l'intérieur de la gaine du crayon, suivant sa direction longitudinale. Dans la mesure o ces ondes de Lamb ne sont que très peu atténuées par l'eau dans laquelle baigne la gaine du crayon ou seraient de même très peu atté- nuées par de l'eau remplissant la totalité du volume interne de la gaine, une forte atténuation permet de détecter de manière sûre la présence de fuites dans un crayon combustible. Cependant, dans le c-as o l'émission et le captage des ondes ultrasonores sont effectuées au contact d'un même bouchon d'étanchéité du crayon, gé- néralement le bouchon situé à l'extrémité supérieure de ce crayon, l'atténuation mesurée traduit surtout la présence d'eau au-dessus de la colonne de pastilles combustibles et en-dessous du bouchon, dans une zone o se trouve un ressort de maintien des pastilles com- bustibles. La détection n'est donc pas très sensible dans le cas de fissures de petites dimensions et il est nécessaire de compléter la méthode de détection par une détection ultrasonore de type classique, par ecnos sur les défauts mécaniques de la gaine. On peut utiliser un transducteur ultrasonore plact directement en contact avec l'extrémité supé- rieure des bouchons de chacun des crayons de l'assem- blage, après démontage de l'embout supérieur, ou encore des transducteurs ultrasonores fixés sur des dispositifs en forme de lames appelés sabres qui peu- vent être glissés entre les rangées de crayons combus- tibles. Dans ce dernier cas, il n'est pas nécessaire de démonter l'embout supérieur de l'assemblage. Cependant, comme il a été indiqué plus haut, la méthode de détection risque de manquer de sensibi- lité ou d'être d'une mise en oeuvre et d'une exploita- ticn délicates. Le but de l'invention est donc de proposer un procédé de détection par ultrasons de crayons com- bustibles non étanches dans un assemblage combustible po.r un réacteur nucléaire constitué par un faisceau de crayons parallèles entre eux disposés dans une os- sature fermée par deux embouts d'extrémité, l'assem- blage étant plongé dans l'eau d'une piscine et disposé de manière que les crayons soient en position vertica- le et une détection de crayons dont la gaine présente des fissures génératrices de fuites étant assurée par émission d'ondes ultrasonores suivant la longueur-des crayons et par mesure d'atténuation des ondes ultraso- nores due à la présence d'eau à l'intérieur des crayons dont la gaine est fissurée, ce procédé étant d une grande sensibilité et d'une mise en oeuvre sim- ple. Dans ce but, on capte les ondes ultrasono- res, après propagation dans la gaine des crayons de l'assemblage suivant leur longueur, en-dessous de l'embout inférieur en place sur l'assemblage. L'invention concerne également un dispositif de détection permettant la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, en se référant aux figures jointes en annexe, plusieurs modes de réalisation d'un dispositif de détection et de sa mise en oeuvre dans le cadre du procédé de détection suivant l'invention. La figure 1 est une vue partielle et schéma- tique d'un assemblage combustible, pendant une opéra- tion de détection de fuites dans un crayon combusti- ble, suivant un premier mode de réalisation. La figure 2 est une vue schématique partiel- le en perspective d'un assemblage combustible, pendant une opération de détection de crayons défectueux, sui- vant un second mode de réalisation. La figure 3 est une vue-schématique partiel- le en perspective d'un assemblage combustible, pendant une opération de détection de crayons combustibles dé- fectueux, suivant un troisième mode de réalisation. La figure 4 est une vue schématique partiel- le en perspective d'un assemblage combustible, pendant une opération de détection de crayons défectueux, sui- vant un quatrième mode de réalisation. Sur la figure 1, on voit un assemblage com- bustible désigné de manière générale par le repère 1 comportant une ossature constituée principalement par des tubes-guides 2, des plaques entretoises telles que 3 et des embouts d'extrémité 4 et 5. Les crayons combustibles tels que 6 sont maintenus par les grilles-entretoises 3 pour consti- tuer un faisceau de forme prismatique (à base carrée), dans lequel les crayons combustibles 6 sont tous pa- rallèles entre eux. Le contour de la zone de forme prismatique renfermant le faisceau de crayons combus- tibles 6 a été représenté sur la figure 1 et désigné par le repère 7. Les crayons combustibles 6 présentent une longueur inférieure à la longueur des tubes-guides 2, si bien que leurs extrémités supérieures et inférieu- res respectivement constituées par des bouchons de fermeture 9 et 10 de la gaine du crayon se trouvent à une certaine distance de la face inférieure de l'em- bout supérieur 4 et de la face supérieure de l'embout inférieur 5. Le procédé suivant l'invention peut être mis en oeuvre par un dispositif constitué par un bras 12 portant à son extrémité un transducteur ultrasonore 11 et relié à un dispositif de déplacement suivant trois directions X, Y, Z constituant un trièdre trirectan- gle. Le dispositif de déplacement du bras 12 qui n'a pas été représenté peut être constitué par exemple par une perche verticale portant une table à mouvements croisés, par l'intermédiaire d'un chariot mobile ver- ticalement sur la perche. Le bras 12 peut être constitué par un bras porteur susceptible de venir placer letransducteur 11 en contact avec la surface supérieure du bouchon 9 après démontage de l'embout supérieur 4 ou par un sa- bre susceptible de venir placer le transducteur 11 en contact avec la surface latérale du crayon 6, au voisinage du bouchon 9. Les dispositifs correspondants de mise en place d'un transducteur ultrasonore à l'extrémité d'un crayon combustible quelconque d'un assemblage sont bien connus de l'art antérieur et ne seront donc pas décrits en détail. Le transducteur 11 est alimenté par l'inter- médiaire d'un câble 13, à partir d'une station d'ex- ploitation des mesures ultrasonores 14 se trouvant au- dessus du niveau de la piscine. Le dispositif de détection permettant de mettre en oeuvre le procédé suivant l'invention com- porte de plus une sonde ultrasonore réceptrice fixée à l'extrémité d'un bras 17 relié à un dispositif de dé- placement du bras 17 et de la sonde 16 dans deux di- rections horizontales perpendiculaires entre elles X et Y. Le dispositif de déplacement du bras 17 et de la sonde 16 peut etre constitué par une table à mouve- ments croisés placée à un niveau légèrement inférieur au niveau de l'embout inférieur 5 de l'assemblage com- bustible. Pour la mise en oeuvre de l'invention, l'as- semblage combustible peut être suspendu au pont des- servant la piscine de stockage des assemblages combus- tibles, de manière que son embout inférieur 5 vienne se placer au-dessus de l'extrémité du bras 17 portant la sonde réceptrice ultrasonore 16. La sonde 16 est reliée par un câble 15 à la station 14 d'exploitation des mesures ultrasonores. Le bras 17 permet de déplacer la sonde 16 de manière à lui faire occuper successivement toutes les positions situées à la verticale des bouchons infé- rieurs 10 des crayons combustibles 6, en-dessous de l'embout 5. De la même manière, la sonde 11 peut être déplacée de manière à venir en contact avec la partie supérieure d'un crayon combustible quelconque 6 et à émettre dans la gaine de ce crayon, suivant la direc- tion longitudinale, un train d'ondes de Lamb qui sont captées par la sonde réceptrice 16 placée à l'aplomb 2642560: du bouchon inférieur 10 du crayon combustible 6 dans lequel on émet le train d'ondes. On effectue ainsi une mesure d'atténuation des ondes ultrasonores au niveau du poste d'exploi- tation 14 permettant de détecter la présence éven- tuelle de fissures génératrices de fuites dans le crayon 6 dont la gaine est parcourue par les ondes ultrasonores. Cette méthode de captage des ondes directe- ment transmises est plus sensible et plus sûre que les méthodes connues antérieurement nécessitant une réfle- xion des ondes sur le bouchon inférieur 10 du crayon ou la présence d'eau dans la partie supérieure du crayon. D'autre part, la sonde réceptrice 16 peut être mise en place successivement à l'aplomb de chacun des crayons 6 de l'assemblage combustible, sans démon- tage de l'embout inférieur 5. Dans le cas des embouts de type classique des assemblages combustibles des réacteurs nucléaires à eau sous pression, la distance entre la sonde récep- trice 16 et le bouchon inférieur 10 du crayon 6 est de l'ordre de 100 mm, cette distance pouvant toutefois être réduite par le fait que la sonde 16 peut être in- troduite à l'intérieur d'une partie creuse de l'embout , délimitée par les pieds supports de l'assemblage. Sur la figure 2, on voit un second mode de réalisation de la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, les éléments correspondants sur les figu- res 1 et 2 portant les mêmes repères. A la différence de l'ensemble de détection représenté sur la figure 1, l'ensemble de détection représenté sur la figure 2 comporte, au lieu d'une seule sonde réceptrice portée par un bras de déplace- 2642560' ment, un ensemble de sondes réceptrices 20 portées par le fond 21 d'un socle 22 dans lequel vient s'engager 1 embout inférieur 5 de l'assemblage combustible 1. Les sondes réceptrices 20 sont reliées cha- cune par un câble 24 à un poste de mesure et de détec- tion 25 situé au niveau supérieur de la piscine du combustible. Comme précédemment, le transducteur ultraso- nore 11 peut être déplacé de l'extrémité supérieure l0 d'un crayon combustible -6 à l'extrémité supérieure d'un autre crayon combustible, grâce à un dispositif de déplacement suivant les direction X. Y et Z d'un bras 12 portant à son extrémité le transducteur 11. Chacune des sondes réceptrices 20 peut être associée à un ou plusieurs crayons combustibles 6 de manière à capter les ondes ultrasonores après propaga- tion dans les crayons 6 suivant la direction longitu- dinale. Dans le cas o une atténuation supérieure à une limite prédéterminée est enregistrée, on en conclut que le crayon 6 sur lequel on réalise la mesu- re présente une fuite. Le socle 22 peut reposer dans le fond de la piscine ou sur un support disposé à une certaine hau- teur à l'intérieur de la piscine. L'assemblage combus- tible peut etre suspendu au pont desservant la piscine pour permettre l'engagement de son embout inférieur 5 dans le socle 22. Sur la figure 3, on a représenté un ensemble de détection suivant un troisième mode de réalisation permettant de mettre en oeuvre le procédé suivant l'invention. L'assemblage 1 dont on effectue le contrôle est disposé à l'intérieur du réceptacle 30 d'un dispo- sitif descenseur permettant de faire passer les assem- blages combustibles depuis le niveau supérieur de la piscine jusqu'en fond de piscine. Un tel dispositif descenseur est fixé contre une paroi de la piscine du combustible et comporte des rails de guidage sur les- quels se déplace un chariot, dans la direction verti- cale. Le réceptacle 30 est fixé sur le chariot et per- met de recevoir un assemblage combustible 1 en posi- tion verticale. Un transducteur d'ultrasons 32 est fixé à l'extrémité d'un bras vertical 33 lui-meme relié à un dispositif de déplacement dans trois directions X, Y et Z, la direction Z correspondant à la direction ver- ticale et les directions X et Y à deux directions ho- rizontales perpendiculaires entre elles. Ce dispositif permet de déplacer le transdu- cteur d ultrasons 32 depuis l'extrémité d'un crayon combustible 6 constitué par le bouchon supérieur de ce crayon combustible jusqu'à l'extrémité supérieure d'un autre crayon combustible de l'assemblage. Les mesures sont effectuées avec l'embout supérieur 4 démonté, de manière que l'ensemble des crayons combustibles 6 soit accessible depuis la partie supérieure de l'assembla- ge. Le fond 34 du réceptacle 30 destiné à rece- voir l'assemblage combustible 1 placé dans le descen- seur porte un ensemble de sondes réceptrices 35 re- liées chacune par un càble 36 à une station de contrb- le et de détection 37 située au-dessus du niveau de la piscine. L'alimentation et la commande des transduc- teurs 32 et de leur dispositif de déplacement sont également assurées depuis la station de commande et de détection 37. 1 1 Chacune des sondes réceptrices 35 est sus- ceptible de recevoir les ondes ultrasonores après leur propagation suivant la longueur d'au moins un crayon 6 de l'assemblage combustible. Généralement les sondes 35 sont en un nombre inférieur au nombre des crayons 6 et disposées suivant un réseau régulier, de sorte que chacune des sondes 35 soit susceptible de capter les ondes ultrasonores provenant d'un ensemble de crayons 6 de l'assemblage. Sur la figure 4, on voit un ensemble de dé- tection suivant un quatrième mode de réalisation, les éléments correspondants sur la figure 4 et sur les fi- gures 1, 2 et 3 portant les mêmes repères. A la différence des ensembles de détection représentés sur les figures 1 et 2, l'ensemble de dé- tection représenté sur la figure 4 comporte un guide d'ondes de forme sensiblement hémisphérique 40 dans la partie d'extrémité ouverte duquel est engagé l'embout inférieur 5 de l'assemblage. Une sonde réceptrice unique 41 est fixée à la partie centrale du guide d'ondes 40 et reliée par un câble 42 à une station de mesure et de détection 44 située au-dessus du niveau supérieur de la piscine. * Comme dans le cas des ensembles de détection représentés sur les figures 1 et 2, un transducteur 11 fixé à l'extrémité d'un bras 12 peut être déplacé dans la direction verticale Z et dans deux directions X et Y perpendiculaires entre elles, de manière que le transducteur 11 soit mis successivement en contact avec les bouchons d'extrémité supérieurs de chacun des crayons combustibles 6 de l'assemblage 1. Les ondes ultrasonores sont captées, après leur propagation suivant la direction longitudinale du crayon 6, par la sonde réceptrice 41, grâce au dispo- sitif guide d'ondes 40. Les signaux de mesure sont transmis sous forme électrique par le càble 42 à la station de contrôle et de détection 44 o la mesure d'atténuation des ultrasons permet de déterminer la présence d'un crayon combustible 6 présentant des fuites, chaque fois que l'atténuation dépasse une certaine valeur prédéterminée. La détection est effectuée comme précédem- ment pour chacun des crayons de l'assemblage successi- vement. Dans tous les cas, la détection est effec- tuée de manière très sure et très sensible sans dé- montage de l'embout inférieur 5 de l'assemblage. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui ont été décrits. C'est ainsi qu'on peut imaginer d'autres dispositions de sondes réceptrices en-dessous de l'embout inférieur d'un assemblage combustible qui peut être suspendu par son embout supérieur à un moyen de levage et de manutention, déposé sur un support dans le fond de la piscine ou dans un dispositif quel- conque de déplacement ou de support tel qu'un descen- seur ou tout autre moyen de manutention de l'assembla- ge. Les sondes peuvent être regroupées de ma- nière quelconque pour assurer le captage des ondes ul- trasonores provenant de l'ensemble des crayons combus- tibles de l'assemblage ou associées à des moyens de guidage d'ondes permettant d'éviter l'utilisation d'un grand nombre de sondes. L'invention peut être appliquée à la détec- tion par ultrasons de crayons combustibles défectueux dans des assemblages combustibles de tout réacteur nu- cléaire refroidi par de l'eau. REVENDICATIONS *1.- Procédé de détection par ultrasons de crayons combustibles non étanches dans un assemblage combustible pour réacteur nucléaire constitué par un faisceau de crayons (6) parallèles entre eux disposés dans une ossature (2, 3, 4, 51 fermée par deux embouts d'extrémité (4, 5), l'assemblage (1) étant plongé dans l'eau d'une piscine et disposé demanière que les crayons (6) soient en position verticale et une détec- tion des crayons dont la gaine présente des fissures génératrices de fuites étant assurée par émission d'ondes ultrasonores suivant la longueur des crayons et par mesure d'atténuation des ondes ultrasonores due à la présence d'eau à l'intérieur des crayons (6) dont la gaine est fissurée, caractérisé par le fait qu'on capte les ondes ultrasonores après propagation dans la gaine des cramons (6) de l'assemblage combustible sui- vant leur longueur, en-dessous de l'embout inférieur (5) en place sur l'assemblage (1). 2.- Procédé de détection suivant la revendi- cation 1, caractérisé par le fait qu'on émet des ondes ultrasonores successivement suivant la longueur de chacun des crayons combustibles (6) de l'assemblage combustible (1), qu'on détermine, pour chacun des crayons combustibles (6) successifs, l'atténuation des ultrasons et qu'on compare cette atténuation à-une valeur prédéterminée. 3.- Procédé de détection suivant la revendi- cation 2, caractérisé par le fait qu'on déplace une sonde réceptrice unique (16) en-dessous de l'embout inférieur (5) de l'assemblage, de manière à réaliser successivement le captage des ondes ultrasonores émi- ses dans chacun des crayons combustibles (6) de l'as- semblage. 4.- Procédé de détection suivant la revendi- cation 2, caractérisé par le fait qu'on capte les ondes ultrasonores émises successivement dans chacun des crayons combustibles (6) de l'assemblage, par une sonde (20. 35) en position fixe faisant partie d'un ensemble de sondes disposées en-dessous de l'embout supérieur (5) de l'assemblage combustible (1). 5.- Procédé de détection suivant l'une quel- conque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les ondes ultrasonores sont émises dans les crayons combustibles, depuis leur partie supérieure, l'embout supérieur (4) étant en place sur l'assembla- ge. 6.- Procédé de détection suivant l'une quel- conque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les ondes ultrasonores sont émises dans les crayons combustibles (6), depuis leur partie supérieu- re, l'embout supérieur (4) de l'assemblage étant dé- monté. 7.- Dispositif de détection par ultrasons de crayons combustibles défectueux dans un assemblage pour un réacteur nucléaire constitué par un faisceau de crayons (6) parallèles entre eux disposés dans une ossature (2, 3, 4, 5) fermée par deux embouts d'extré- mité (4, 5), l'assemblage (1) étant plongé dans l'eau d'une piscine et disposé de manière que les crayons (6) soient en position verticale et une détection des crayons dont la gaine présente au moins une fissure génératrice de fuite étant assurée par émission d'on- des ultrasonores -suivant la longueur des crayons et par mesure d'atténuation des ondes ultrasonores due à la présence d'eau à l'intérieur des crayons (6) dont la gaine est fissurée, caractérisé par le fait qu'il comporte un transducteur d'ultrasons (11) fixé à l'ex- trémité d'un bras (12) relié â'un dispositif-de dépla- cement permettant de disposer successivement le trans- ducteur (11) en contact avec l'extrémité supérieure de chacun des crayons (6) de l'assemblage et au moins un moyen de captage (16, 20, 34, 41, 40) des ondes ultra- sonores émises suivant la longueur des crayons (6), disposé en--dessous de l'embout inférieur (5) de l'as- semblage.. 6.- Dispositif de détection suivant la re- i0 vendication 7, caractérisé par le fait que le moyen de captage (16) des ondes ultrasonores est constitué par une sonde réceptrice fixée à l'extrémité d'un bras (17) mobile dans deux directions perpendiculaires d'un plan horizontal situé en-dessous de la surface infé- rieure de l'embout inférieur (5) de l'assemblage (1). 9.- Dispositif de détection suivant la re- vendication 7, caractérisé par le fait que le moyen de captage des ondes ultrasonores est constitué par une pluralité de sondes réceptrices (20) disposées sur le fond (21) d'un socle (22) de forme prismatique ouvert à sa partie supérieure dans laquelle l'embout (5) de l'assemblage peut être engagé pour être disposé au- dessus de l'ensemble des sondes réceptrices (20). 10.- Dispositif de détection suivant la re- vendication 7 caractérisé par le fait que le moyen de captage des ondes ultrasonores est constitué par un ensemble de sondes réceptrices (35) fixées sur le fond (34) d'un réceptacle (30) pour un assemblage combusti- ble (1) fixé sur le chariot à déplacement vertical d'un descenseur d'assemblage combustible disposé contre une paroi de la piscine. 11.- Dispositif de détection suivant la re- vendication 7, caractérisé par le fait que le moyen de captage d ondes ultrasonores est constitué par un gui- de d'ondes (40) ayant une extrémité ouverte dans la- quelle est engagé l'embout inférieur (5) de l'assem- blage combustible (1) et au moins une sonde ultrasono- re (41) fixée sur la paroi du guide d'ondes (40). 12.- Dispositif de détection suivant la re- vendication 11, caractérisé par le fait que le guide d ondes (40) présente une forme hémisphérique.