Brevet FR2685762A1 — publié le 19930702

La présente invention est relative à un dispositif de mesure des déplacements d'éléments étroits, allongés et parallèles, et trouve son application en particulier, quoique non exclusivement, pour la mesure des déplacements des crayons d'une grappe de contrôle pour assemblages combustibles de réacteur nucléaire, par exemple au moyen d'une maquette d'essai. La structure d'une grappe de contrôle pour réacteur nucléaire est bien connue. Elle consiste en un groupement de crayons d'un matériau absorbant les neutrons selon un faisceau de tiges parallèles contenues dans un tube enveloppe externe, à axe vertical, entourant la grappe et dans lequel celle-ci est guidée lors de ses déplacements parallèlement à cet axe par des moyens de support appropriés. Généralement, ces crayons sont aménagés pour coulisser dans le tube enveloppe parallèlement à leur direction longitudinale, en étant maintenus à la partie inférieure de celuici à l'intérieur de tubes élémentaires s'étendant entre deux entretoises parallèles, montées horizontalement dans le tube enveloppe et définissant entre elles une zone dite de guidage continu. Au-delà, vers la partie supérieure du tube enveloppe, les crayons coulissent dans leurs moyens de support sans coopérer cependant avec des tubes élémentaires analogues, la zone correspondante étant dite de guidage discontinu. Les tubes enveloppes dans lesquels sont montées les grappes de contrôle, sont disposés entre une plaque prévue à la partie supérieure de l'enceinte du réacteur au-dessus du coeur de celuici et une bride d'appui, la virole de l'enceinte comportant, au droit des grappes de contrôle, des ouvertures ou tuyères de pénétration et d'évacuation du réfrigérant du coeur, qui s'écoule d'abord entre la virole et une jupe cylindrique entourant le coeur, circule ensuite dans celui-ci de bas en haut puis, après traversée de la plaque inférieure sur laquelle repose les tubes enveloppes des grappes, ressort de l'enceinte. Du fait de la circulation à grande vitesse et débit élevé du réfrigérant, les grappes de crayons de contrôle sont soumises à des efforts et vibrations parfois notables qui peuvent provoquer des variations sensibles de leur positionnement relatif dans leur tube enveloppe vis-à-vis des moyens de support qui assurent le guidage et le maintien axial de ces crayons. I1 est donc nécessaire, notamment sur une maquette en eau froide, de préférence en vraie grandeur, reproduisant la structure précise d'une grappe de crayons, de contrôler en permanence la position de ceux-ci et d'en déduire leur comportement sous l'effet de l'écoulement du réfrigérant, un tel contrôle devant être réalisé de façon continue et directe, sans intervenir matériellement sur ces crayons, c'est-à-dire en respectant entièrement leur intégrité. A cet effet, le dispositif considéré utilise un jeu de sources lumineuses et de capteurs optiques, chaque source fournissant un faisceau lumineux étroit, partiellement occulté par un crayon donné dans la grappe et vers lequel est dirigé le faisceau issu de la source et dont le rayonnement est recueilli par un capteur associé à cette source, en fournissant une référence de mesure déterminée, la variation de l'éclairement reçu permettant ainsi de mesurer la variation corrélative de positionnement du crayon. Selon 1 invention, le dispositif considéré, pour mesurer le déplacement relatif d'un élément allongé à l'intérieur d'une grappe de tels éléments parallèles, notamment mais non nécessairement exclusivement de crayons de contrôle pour réacteur nucléaire, est remarquable en ce qu'il comporte au moins une plaquette en un matériau plastique étanche, transparent, pouvant être réalisée par moulage et durcissement, dans laquelle est noyé un ensemble de sources lumineuses, le faisceau lumineux issu de chaque source étant reçu par au moins une cellule photoélectrique, également noyée dans la plaquette, les sources et les cellules étant mutuellement disposées en relation telle, par rapport à un élément de la grappe, que le faisceau lumineux provenant d'une source soit en partie intercepté par cet élément avant d'être reçu par la cellule, les sources lumineuses et les cellules photoélectriques étant associées à des écrans, également noyés dans la plaquette et formant masques afin d'éviter certaines réflexions lumineuses du faisceau provenant d'une source quelconque vers les cellules voisines, le signal fourni par chaque cellule étant ensuite traité de manière à mesurer, par référence à un seuil déterminé, toute variation de position de cet élément. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, chaque plaquette comporte deux faces planes parallèles s'étendant perpendiculairement à l'axe des éléments dans la grappe et, appliquée contre l'une au moins de ces faces, une semelle métallique assurant la rigidification de la plaquette. Avantageusement, dans le cas notamment où les éléments sont montés coulissants dans des moyens de support transversaux portés par un tube enveloppe externe entourant la grappe, chaque plaquette est fixée sur un de ces moyens de support par l'intermédiaire de vis ou analogues, immobilisant cette plaquette vis-à-vis du tube enveloppe. De préférence également, chaque source lumineuse est constituée par une diode électroluminescente devant laquelle est monté un système optique de focalisation du faisceau lumineux produit, notamment constitué par une lentille de concentration améliorant l'homogénéité du faisceau lumineux produit. Avantageusement, la diode est en arsénure de gallium présentant un pic d'émission lumineuse dont la longueur d'onde est de l'ordre de 950 nm. De même, chaque cellule est avantageusement réalisée au moyen d'une photodiode de type PIN planar, noyée dans un bloc de protection en résine époxy, présentant un très faible courant d'obscurité et fournissant une excellente proportionnalité entre le flux lumineux reçu et le courant direct fourni, notamment voisin de 0,1 amp. Chaque plaquette est réalisée en un matériau plastique transparent, de préférence également en résine époxy ; en outre, chaque élément est associé à deux couples de diodes et de cellules, les faisceaux lumineux issus des diodes étant avantageusement orientés perpendiculairement l'un à l'autre. Enfin et dans une variante particulière, les écrans sont entourés d'un bloc de résine à parois arrondies dont le profil est déterminé afin d'éliminer au mieux les renvois parasites des faisceaux lumineux réfléchis vers d'autres cellules voisines. L'invention vise également l'utilisation du dispositif comportant l'une ou plusieurs des diverses caractéristiques énoncées ci-dessus pour la réalisation d'une maquette de mesure des déplacements de crayons de contrôle pour réacteur nucléaire. D'autres caractéristiques d'un dispositif selon l'invention, apparaltront encore à travers la description qui suit de divers exemples de réalisation, donnés à titre indicatif et non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - La Figure 1 est une vue en coupe longitudinale très schématique de l'enceinte d'un réacteur nucléaire dans lequel est mis en oeuvre un ensemble de grappes de contrôle, celles-ci étant avantageusement prévues pour être munies, dans une maquette en eau froide appropriée, d'un dispositif de mesure de déplacement de leurs crayons selon l'invention. - La Figure 2 est une vue à plus grande échelle du tube enveloppe d'une grappe de crayons de contrôle, illustrant plus particulièrement les zones de guidage continue et discontinue de ces crayons. - La Figure 3 est une vue en coupe transversale de la Figure 2 selon la ligne III-III, dans la zone de guidage continue. - La Figure 4 est une vue en coupe transversale de la Figure 2 selon la ligne IV-IV, dans la zone de guidage discontinue. - La Figure 5 est une vue en coupe longitudinale à encore plus grande échelle du tube enveloppe dans la zone de guidage continue. - La Figure 6 est une vue en coupe également et à échelle encore plus grande d'une partie de la grappe de contrôle au droit d'un support transversal sur lequel est monté un dispositif de mesure des déplacements des crayons selon l'invention. - La Figure 7 est une vue de détail à échelle encore supérieure d'une partie du dispositif, illustrant la position relative d'une cellule et d'une diode vis-à-vis d'un crayon. - La Figure 8 est une vue partielle en coupe transversale d'un crayon et des diodes et cellules qui lui sont associées. - La Figure 9 est une vue en plan d'un dispositif de contrôle, représentant une plaquette associée à un jeu de plusieurs crayons dans la grappe. - La Figure 10 illustre une autre variante d'une plaquette plus particulièrement adaptée au contrôle des crayons dans la zone où ceux-ci pénètrent dans un élément combustible du réacteur. - La Figure 11 est une vue de détail à plus grande échelle de la Figure 10. Sur la Figure 1, a été schématiquement représentée sous la référence 1 l'enceinte d'un réacteur nucléaire, notamment du genre à eau pressurisée, comportant une virole latérale 2, munie à son extrémité inférieure d'un fond 3 de forme sensiblement hémisphérique. La partie. supérieure de l'enceinte 2 est fermée par un couvercle 4, également de forme hémisphérique. A l'intérieur de l'enceinte 1, dans la partie basse de la virole 2, est monté le coeur 5 du réacteur, qui repose sur une assise 6, les éléments ou assemblages combustibles 7 constituant ce coeur s'étendant verticalement au-dessus de l'assise, notamment au droit de passages prévus dans cette dernière pour la circulation de l'eau sous pression assurant le refroidissement du coeur. A sa partie supérieure, ce dernier comporte une plaque transversale 8, à laquelle se raccorde une jupe cylindrique 9 se prolongeant vers la partie supérieure de l'enceinte 1. Dans la virole 2, sont ménagés des orifices ou tuyères 10, permettant l'introduction du réfrigérant qui circule dans l'enceinte 1 selon le sens des flèches, notamment et successivement dans un espace annulaire 11 entre le coeur 5 et la virole 2, traverse l'assise 6, remonte dans le coeur au contact des assemblages 7 puis, après traversée de la plaque supérieure 8, est évacué par des orifices 12, analogues aux orifices 10 mais disposés à l'opposé de ceux-ci. A l'intérieur également de l'enceinte 1, est montée une bride horizontale 13, s'étendant parallèlement et à distance de la plaque de coeur 8, délimitant avec celle-ci un espace 14 dans lequel sont montés des grappes de contrôle 15. Chacune de ces grappes de contrôle comporte, de façon en elle-même bien connue dans la technique de construction de tels réacteurs, un tube enveloppe externe 16, à l'intérieur duquel peut coulisser un ensemble d'éléments étroits et allongés, constitués par des crayons parallèles 17, ces crayons étant guidés à l'intérieur du tube 16 par des moyens de support appropriés, notamment constitués par des entretoises transversales, respectivement 18 et 19, les entretoises 18 étant disposées vers la partie inférieure de chaque élément dans une zone qualifiée de guidage continue, les entretoises 19 étant montées au-dessus des précédentes dans une zone dite de guidage discontinue. En se référant en particulier aux Figures 2 à 4, on voit de façon plus précise quelle est la structure générale d'un élément de contrôle 15 précité. Le tube enveloppe externe 16 est immobilisé entre la plaque de coeur inférieure 8 à sa partie inférieure et la bride 13 à sa partie supérieure, au moyen d'une tête de blocage 20 montée sur le dessus de la bride. Chaque crayon de contrôle 17, réalisé en un matériau approprié, notamment présentant une bonne capacité d'absorption des neutrons, peut coulisser sur toute la hauteur du tube enveloppe 16, à l'intérieur de tubes fendus continus 17a, le guidage de ces crayons s'effectuant de façon différente, respectivement à la partie inférieure et à la partie supérieure de ce tube enveloppe. Sur la vue en coupe de la Figure 3, on voit de façon plus détaillée et en particulier à plus grande échelle, la forme des entretoises transversales 18, disposées dans la zone de guidage continue à la partie inférieure du tube enveloppe 16, chaque entretoise comportant une partie centrale évidée 22 et, régulièrement disposés entre les tubes fendus 17a, des fourreaux 23 en forme de U, délimitant une région interne 24 dans laquelle sont à chaque fois logés deux crayons parallèles pour chaque fourreau. En revanche, les entretoises 19, apparaissant sur la vue en coupe de la Figure 4, sont disposées à la partie supérieure du tube enveloppe en s'étendant parallèlement aux entretoises 18 et comportent des fentes 26, dans lesquelles sont immobilisés les tubes fendus 17a où coulissent les crayons 17. La virole du tube 16 présente à sa partie inférieure 21 une section sensiblement cylindrique dans la zone de guidage continue et une section approximativement carrée dans sa partie supérieure ou zone de guidage discontinue 27, où elle présente des passages latéraux 28 pour le montage des entretoises 19. Dans la partie 21 du tube enveloppe 16, sont ménagées des ouvertures 29 pour faciliter la circulation du réfrigérant et notamment sa pénétration dans ce tube, des trous 30 étant également avantageusement prévus dans les tubes fendus 17a. La Figure 5 illustre à encore plus grande échelle la structure du tube enveloppe 16, notamment dans la région de celuici comportant une entretoise 18, à la partie supérieure de la zone de guidage continue et une entretoise parallèle 19 à la partie inférieure de la zone de guidage discontinue. On construit alors une maquette en eau froide, réalisée en vraie grandeur et reproduisant la géométrie exacte de la grappe considérée, les entretoises 19 étant munies, dans cette maquette, de plaquettes 31 de contrôle des déplacements des crayons 17, établies conformément à l'invention. Sur la Figure 6, on retrouve ainsi à une échelle encore plus agrandie une entretoise 19, un ensemble de crayons 17 avec les tubes fendus 17a recevant ces crayons et une plaquette de contrôle 31, cette dernière étant immobilisée contre l'entretoise, de préférence au moyen de vis 32 traversant la plaquette. Comme schématisé sur la Figure 7, on peut voir que chaque plaquette est notamment constituée par un bloc 33 à faces parallèles, en un matériau plastique approprié, notamment et de préférence formé à l'aide d'une résine époxy ou analogue, transparente, la plaquette étant réalisée par moulage d'une telle résine, puis durcissement de celle-ci. Elle comporte à travers le bloc 33 des passages 33a et est avantageusement associée à une semelle inférieure métallique 34, collée sous le bloc de manière à assurer une excellente rigidification de celui-ci. Dans le bloc 33 de chaque plaquette 31, sont noyées, conformément à l'invention, une pluralité de sources lumineuses, en particulier constituées de diodes électroluminescentes 35 et, en regard de ces diodes vis-à-vis des crayons 17, des cellules photoélectriques 36, le faisceau lumineux étroit 37, issu de chaque diode 35, étant reçu par au moins une cellule 36. Des connexions électriques, respectivement 38 et 39, assurent l'alimentation des diodes et des cellules, l'ensemble de ces connexions étant réuni à une extrémité de la plaquette à l'extérieur du tube enveloppe 16 à un bornier 40 (Figure 6) mis à la masse. Les connexions 38 et 39 sont de préférence réalisées avec des fils fins et blindés. La Figure 8 montre en vue très agrandie le principe selon lequel chaque plaquette de contrôle, portée par une entretoise du tube enveloppe, permet de contrôler les variations de position des crayons 17 dans la grappe, chaque crayon étant de préférence associé à plusieurs diodes 35 et cellules 36 dont les faisceaux lumineux 37, allant d'une diode à une cellule sont en partie interceptés par un crayon, la variation de position de celui-ci, en modififant la fraction de lumière émise par la diode et reçue par la cellule associée, permettant par référence à un seuil d'étalonnage prédéterminé et traitement du signal ainsi acquis, d'en déduire la valeur du déplacement correspondant, ce traitement s'effectuant dans un boîtier électronique (non représenté) et dont le détail de la réalisation importe peu à la présente invention. Afin d'éviter qu'une diode 35 quelconque n'envoie sur les autres cellules un rayonnement lumineux parasite, le bloc de résine 33 de chaque plaquette 31 comporte des obstacles 41, réalisés en incorporant utilement dans le bloc des éléments opaques allongés 42, formant masques et disposés de telle sorte que le faisceau lumineux 37 issu d'une diode donnée, atteigne majoritairement sinon exclusivement la cellule associée, sans perturber les rayonnements croisés venant des autres cellules. Sur la Figure 8, on voit ainsi que chaque crayon 17 est de préférence associé à deux diodes et deux cellules, les faisceaux lumineux issus de ces diodes étant sensiblement perpendiculaires l'un à l'autre. Chaque diode 35 comporte de préférence une partie émettrice 43, notamment constituée par une un composant électroluminescent à arsénure de gallium, dont le pic d'émission est égal à 950 nm dans l'infrarouge, une telle diode étant disposée à l'intérieur d'un boîtier métallique de petites dimensions, à très faible résistance thermique. Une lentille de concentration 44 est montée en avant de la diode, le fait de noyer cet ensemble dans le matériau de la plaquette 31 permettant d'obtenir une bonne proportionnalité entre le flux lumineux du faisceau 37 issu de la diode et le courant direct fourni, notamment voisin de 0,1 amp. La cellule 36 est de préférence une photodiode 45 de type PIN planar, noyée dans un enrobage de résine époxy 46 et dont les caractéristiques principales consistent en un très faible courant d'obscurité, une excellente proportionnalité entre le flux lumineux reçu et le photocourant restitué, avec un faible encombrement pour une surface sensible utile importante, le maximum de sensibilité de cette photodiode se situant à 880 nm. La Figure 9 illustre de façon complète une plaquette 31 dont les éléments essentiels ont été précédemment décrits, chaque plaquette présentant une forme appropriée lui permettant, après fixation du bloc 33, sur l'entretoise de support 18 ou 19 correspondante au moyen des vis 32, de venir entourer à la manière d'une fourchette à plusieurs dents, un nombre déterminé de crayons 17. Sur le dessin, la plaquette comporte ainsi trois ensembles de dents, schématisés sous les références A, B et C, le bloc 33 étant terminé par un manche 47, enfermant l'ensemble 48 des connexions électriques des diodes et cellules, reliées au bornier 40. Dans la variante de réalisation illustrée sur la Figure 10, chaque plaquette 31 est constituée par un bloc 49 en matière plastique transparente, de profil sensiblement différent à celuici de la plaquette selon l'exemple précédent, cette variante étant plus particulièrement adaptée pour le montage de la plaquette 31 à la partie inférieure du tube enveloppe 16, au droit des assemblages combustibles 7 disposés dans le coeur. Dans cette variante, le bloc 49 comporte un ensemble de passages 50 pour le fluide, c'est-à-dire l'eau qui baigne les plaquettes, les crayons de contrôle 17 s'étendant pour leur part dans des passages voisins 51. Les diodes 35 et les cellules 36 sont noyées comme précédemment dans le bloc 49, mais selon une disposition différente de celle adoptée dans la précédente variante, chaque jeu de deux cellules et de deux diodes étant associé à un dispositif réflecteur 52, porté par un support 53. Comme l'illustre à plus grande échelle la Figure 11, le dispositif réflecteur comporte deux miroirs, respectivement 56 et 57, permettant au faisceau lumineux 37 issu de chaque diode d'être renvoyé vers la cellule 36 associée en interceptant partiellement le crayon 17, les miroirs étant aménagés pour éviter toute interférence entre les faisceaux issus des deux cellules. Sur la Figure 10, a été mieux représenté le détail du bornier 40 et notamment a été schématiquement figuré dans celui-ci un jeu de bornes de liaison 54 dont chacune correspond à une cellule ou une diode, l'ensemble étant contenu dans une fiche de protection 55. On réalise ainsi un dispositif de mesure des déplacements d'éléments parallèles disposés en grappes et notamment de crayons de contrôle pour réacteur nucléaire, de conception très simple et de mise en oeuvre facile, procurant notamment une très bonne répétitivité des mesures, alliée à une précision excellente. La pollution par l'eau qui se trouve entre les dents de chaque plaquette n'a que peu d'incidence sur la sensibilité de la mesure qui peut atteindre un quart de micron, la précaution essentielle consistant seulement à éviter la présence de bulles à proximité des diodes. La prévision des orifices de circulation de l'eau dans les tubes fendus où coulissent les crayons et également dans le tube enveloppe, répondent notamment à cet impératif. Bien entendu et comme il résulte déjà de ce qui précède, il va de soi que l'invention ne se limite pas aux exemples de réalisation plus spécialement décrits et représentés en référence aux dessins annexés ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes. En particulier, on pourrait avantageusement prévoir de disposer dans chaque plaquette, notamment comme illustré sur les Figures 9 et 10, une voie de mesure complémentaire, dite de régulation, analogue aux voies de mesure décrites plus haut, utilisant chacune une source lumineuse 35 et une cellule photoélectrique 36. Dans cette voie de régulation, le faisceau lumineux issu d'une cellule 35 déterminée parmi l'ensemble de celles noyées dans la plaquette, vient rencontrer une cellule 58 sans que ce faisceau n'ait été occulté par un crayon quelconque. Dans ces conditions, l'intensité lumineuse que reçoit la photodiode est fonction du courant alimentant la source associée et également de la température et de la qualité de l'eau. Le circuit électronique peut alors modifier le courant de toutes les sources d'une même plaquette, de telle sorte que le courant de la photodiode 35 dans la voie de régulation soit égal à une valeur de consigne. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de mesure des déplacements d'éléments allongés, disposés parallèlement entre eux pour former une grappe, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une plaquette (31) en un matériau plastique étanche, transparent, pouvant être réalisée par moulage et durcissement, dans laquelle est noyé un ensemble de sources lumineuses (35), le faisceau lumineux (37) issu de chaque source étant reçu par au moins une cellule photoélectrique (36), également noyée dans la plaquette, les sources et les cellules étant mutuellement disposées en relation telle par rapport à un élément (17) associé dans la grappe, que le faisceau lumineux provenant d'une source soit en partie intercepté par cet élément avant d'être reçu par la cellule, les sources lumineuses (35) et les cellules photoélectriques (36) étant associées à des écrans (42), également noyés dans la plaquette (31) et formant masques afin d'éviter certaines réflexions lumineuses du faisceau (37) provenant d'une source quelconque vers les cellules voisines, le signal fourni par chaque cellule étant ensuite traité de manière à mesurer, par référence à un seuil déterminé, toute variation de position de cet élément. 2 - Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque plaquette (31) comporte deux faces planes parallèles s'étendant perpendiculairement à l'axe des éléments (17) dans la grappe et, appliquée contre l'une au moins de ces faces, une semelle métallique (34) assurant la rigidification de la plaquette. 3 - Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel les éléments étant montés coulissants dans des moyens de support transversaux portés par un tube enveloppe externe entourant ladite grappe, caractérisé en ce que chaque plaquette (31) est fixée sur un des moyens de support transversaux (18 ou 19) des éléments (17) par l'intermédiaire de vis ou analogues (32), immobilisant cette plaquette vis-à-vis du tube enveloppe (16) de la grappe. 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel chaque source lumineuse (35) est constituée par une diode électroluminescente devant laquelle est monté un système optique de focalisation (44) du faisceau lumineux (37) produit, notamment constitué par une lentille de concentration, caractérisé en ce que ledit système est noyé dans ledit matériau plastique transparent, en vue notamment d'homogénéiser le faisceau lumineux. 5 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la diode est en arsénure de gallium présentant un pic d'émission lumineuse dont la longueur d'onde est de l'ordre de 950 nm. 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque cellule (36) est réalisée au moyen d'une photodiode (45) de type PIN planar, noyée dans un bloc de protection en résine époxy (46), présentant un très faible courant d'obscurité et fournissant une excellente proportionnalité entre le flux lumineux reçu et le courant direct fourni, notamment voisin de 0,1 amp. 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque plaquette (31) est réalisée en un matériau plastique transparent, de préférence également en résine époxy. 8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque élément (17) est associé à deux couples de sources (35) et de cellules (36), les faisceaux lumineux (37) issus des sources étant orientés sensiblement perpendiculairement l'un à l'autre. 9 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les écrans (42) sont entourés d'un bloc de résine (41) à parois arrondies dont le profil est déterminé afin d'éliminer au mieux les renvois parasites des faisceaux lumineux (37) réfléchis vers d'autres cellules (36) voisines. 10 - Utilisation d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, pour la mesure des déplacements de crayons de contrôle d'un réacteur nucléaire, au moyen d'une maquette d'essai, de préférence en vraie grandeur.