Brevet FR2785387A1 — publié le 20000505

PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE NON DESTRUCTIVE DE LA PRESSION INTERNE D'UN CRAYON COMBUSTIBLE DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention concerne à la fois les dispositifs et les procédés de mesure de pression interne d'un objet, et en particulier la surveillance du comportement du crayon de combustible irradié utilisé dans tous les réacteurs nucléaires. Art antérieur et problème posé L'industrie nucléaire exploite des réacteurs de puissance qui utilise des combustibles, plus généralement constitués de pastilles céramiques de forme cylindrique, empilées dans des gaines métalliques étanches à leurs extrémités grâce à des bouchons soudés, formant ainsi un crayon combustible. Ce type de crayon combustible est regroupé en unités de manutention ou éléments combustibles. En référence à la figure 1, d'une façon générale, et malgré leur diversité, un crayon combustible est constitué principalement d'une gaine 2 contenant des pastilles de matériaux combustibles 1 et fermée à ses extrémités par des bouchons 3. Un ressort 4, placé à l'intérieur de la gaine 2, maintient l'empilage de pastilles 1 serrées les unes contre les autres. Ainsi, un crayon combustible est un tube cylindrique à l'intérieur duquel se trouvent deux enceintes communiquantes et juxtaposées, l'une contenant la colonne de pastilles 1 de combustible et l'autre 5 contenant le ressort 4 et servant de volume d'expansion. On ajoute que, lors de sa fabrication, le crayon est pressurisé en hélium. Il se trouve que, au cours de l'utilisation du crayon combustible, c'est-à-dire de son irradiation, la pression interne augmente du fait de la formation des gaz de fission, principalement le xénon et le krypton. Ainsi, le volume gazeux diminue de manière complexe, par gonflement du combustible avec le taux d'irradiation et par le fluage de la gaine sous l'influence de la pression externe. Il en résulte pour chaque crayon combustible une évolution particulière, tant du point de vue de sa géométrie que de sa composition et donc de sa pression interne. Toutefois, les gaines doivent rester parfaitement étanches, afin de confiner les produits de fission solides ou gazeux et pour éviter toute contamination du fluide caloporteur externe. Or, les organismes de sûreté nucléaire et de recherche dans le domaine des réacteurs de puissance souhaitent connaître, de façon toujours plus précise, les caractéristiques internes des crayons combustibles, c'est-à-dire la pression interne, les pressions partielles des gaz, les rapports des volumes gazeux à l'intérieur et en dehors du volume d'expansion, l'étanchéité, afin de décider de leur élimination s'ils présentent des risques, ou de leur réutilisation dans le cas contraire. Ainsi, à chaque sortie de pile nucléaire, il est possible d'isoler un certain nombre de crayons combustibles dans une piscine de stockage et d'effectuer, après une période de désactivation, différents contrôles destructifs ou non sur ces crayons. Les contrôles actuels ont pour buts principaux la recherche de crayons non étanches et portent donc sur la mesure globale de leur activité, sur les éléments combustibles, ou sur le ressuage unitaire. Cependant, l'évolution du relâchement des gaz de fission et de la pression résultante, ou plus précisément de leur pression interne, est, jusqu'à présent restée inaccessible sans le perçage de la gaine, interdisant ainsi toute étude cinétique complète sur un mme crayon combustible. Le but de la présente invention est donc de proposer un procédé de mesure non destructive précise et rapide de la pression interne de crayons combustibles issues d'éléments combustibles irradiés dans le réacteur de puissance, ainsi que son installation en piscine de stockage ou en laboratoire exploitable industriellement et reconnu par les autorités compétentes, tant du point de vue de la fiabilité du système que de ses qualités de sûreté. Résumé de l'invention A cet effet, un premier objet principal de l'invention est un procédé de mesure non destructive de la pression interne d'un crayon de combustible comprenant une gaine contenant un volume d'expansion et des pastilles de combustibles. Le procédé se caractérise par les étapes suivantes : -pressuriser le crayon dans une ; -imposer des variations de température par chauffage à une partie du crayon ; et -relever les variations de pressions dans 1"enceinte avec un capteur de pression différentielle en utilisant une contre-pression, et les variations de températures. Dans le mode préféré de mise en oeuvre du procédé, la partie chauffée du crayon est le volume d'expansion et la pression interne du crayon Pint. fT"') à déterminer l'est par la formule suivante : APint étant la différence de pression à l'intérieur de l'enceinte, lorsqu'il y a une variation de température déterminée ; To étant la température de base ; Tp étant la température à l'intérieur du volume d'expansion ; Te étant la température à l'intérieur de l'enceinte. Dans la mise en oeuvre du procédé, il est préférable de thermaliser le volume d'expansion alimenté en azote et de remplir l'intérieur de l'enceinte avec un liquide incompressible. Selon l'invention, on préconise de faire varier les températures dans le volume d'expansion par étapes successives. Un deuxième objet principal de l'invention est également un dispositif de mesure non destructive de la pression interne d'un crayon combustible constitué d'une gaine comprenant un empilement de pastilles de combustible et un volume d'expansion, le dispositif comprenant : -une enceinte de pressurisation dans laquelle doit tre placée le crayon, munie d'une cloche calorifugée entourant de façon étanche le volume d'expansion du crayon et comprenant des moyens de chauffage ou de refroidissement pour thermaliser ce volume d'expansion ; et -un capteur de pression différentielle branché d'un côté avec la partie non chauffée de l'enceinte et de l'autre côté avec une source de gaz sous pression par l'intermédiaire d'au moins une vanne de contre-pression réglable. Dans la réalisation préférentielle de l'invention, le capteur de pression différentielle est branché en dérivation d'une canalisation de purge entre une première vanne dite d'isolement et une deuxième vanne dite d'étalonnage placée entre le capteur de pression différentielle et l'enceinte, la vanne de contre-pression étant une électrovanne commandée par le capteur de pression différentielle. Le dispositif se complète avantageusement d'une canalisation de remplissage de la partie non chauffée de l'enceinte équipée d'une deuxième vanne d'isolement. On préconise également d'utiliser une canalisation de remplissage du volume interne de la cloche. Les moyens de chauffage sont de préférence des résistances entourant le volume d'expansion du crayon. La cloche est prévue amovible par rapport à l'enceinte et reliée à cette dernière par un système de fixation et un joint d'étanchéité. Liste des figures L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante d'une réalisation préférentielle de l'invention, accompagnée des deux figures représentant respectivement : -figure 1, un crayon combustible auquel s'applique l'invention ; -figure 2, en coupe, le dispositif selon l'invention ; et -figure 3, deux courbes relatives à deux mesures de crayons différents. Description détaillée d'une réalisation principale de l'invention Dispositif Sur la figure 2, on retrouve un crayon combustible tel qu'il a été décrit à la figure 1. Il est placé verticalement, les pastilles de combustible 1 étant empilées dans la majeure partie de la gaine 2, notamment dans sa partie inférieure. Le volume d'expansion 5 contenant le ressort 4 est placé en haut et est alimenté en azote. Ce crayon est enfermé dans une enceinte de pressurisation 10 qui est rigide et de préférence tubulaire. Cette enceinte 10 est surmontée d'une cloche 15 calorifugée, de manière à ce que le volume d'expansion 5 du crayon soit entouré de la cloche calorifugée 15. Cette dernière est prévue amovible pour pouvoir tre démontée de l'enceinte 10 sur laquelle elle est montée. Ces deux éléments doivent délimiter de façon étanche le volume interne 16 de la cloche calorifugée et l'espace annulaire 11 resté libre à l'intérieur de l'enceinte de pressurisation 10 autour du crayon. A cet effet, on utilise un joint d'étanchéité 12 placé sur la surface interne de l'extrémité supérieure de l'enceinte de pressurisation 10. La cloche calorifugée 15 est équipée de moyens de chauffage constitués ici de résistances chauffantes 17. La cloche calorifugée 15 est également équipée d'un crochet de suspension 18 destiné à tenir le crayon dans l'enceinte de pressurisation 10, de manière à ce que celui-ci soit entouré de liquide. A ce sujet, le dispositif de mesure selon l'invention se complète d'une circuiterie hydraulique sur laquelle se trouve un capteur de pression différentiel 20. Plus exactement, ce dernier est placé sur une canalisation de contre-pression 21 reliée, par l'intermédiaire d'une vanne de contre-pression 23 qui est, de préférence, une électrovanne, à une source de gaz sous pression, par exemple une bouteille de gaz. On pourrait remplacer cette vanne de contre-pression 23 par deux vannes de contre-pression ouvrant et fermant alternativement deux circuits respectivement d'admission et de vidange. L'autre extrémité de cette canalisation de contre-pression 21 est branchée en dérivation d'une canalisation de purge 24 qui est reliée à l'espace annulaire 11 à l'intérieur de l'enceinte de pressurisation 10. La connexion de la canalisation de contre-pression 21, à l'entrée du capteur de pression différentielle 20 sur la dérivation de purge 24 se fait entre deux vannes, une vanne d'étalonnage 25, placée jusqu'à la sortie de l'enceinte de pressurisation 10, et une première vanne d'isolement 26 qui permet l'évacuation des gaz vers l'extérieur. Le dispositif est complété d'un circuit de remplissage constitué d'une première canalisation de remplissage 27 munie d'une deuxième vanne d'isolement 28. Cette première canalisation de remplissage 27 aboutit à la partie inférieure de l'espace annulaire 11 à l'intérieur de l'enceinte 10. De mme, il est prévu un circuit de remplissage pour la cloche constitué d'une deuxième canalisation de remplissage 29 sur laquelle est montée une troisième vanne d'isolement 30. Cette deuxième canalisation de remplissage 29 aboutit dans la partie supérieure du volume interne 16 de la cloche calorifugée 15. On signale que des sondes de température, non représentées, sont disposées sur la gaine 2 du crayon au niveau du volume interne 16 de la cloche calorifugée 15 et dans l'espace annulaire 11 de l'enceinte 10. On précise que le remplissage de l'espace annulaire 11 à l'intérieur de l'enceinte de pressurisation 10 se fait avec un liquide incompressible et que le remplissage du volume interne 16 dans la cloche calorifugée 15 se fait avec un liquide thermocompressible. Procédé Le principe général du procédé selon l'invention consiste à déterminer la variation de pression interne du crayon combustible par chauffage et/ou refroidissement contrôlés des gaz contenus dans le volume d'expansion 5 du crayon, le reste du crayon étant maintenu isotherme dans un fluide placé dans l'espace annulaire 11 à l'intérieur de l'enceinte de pressurisation 10. Pour mesurer la variation de pression interne, on asservit une contre-pression d'équilibre appliquée au fluide contenu dans l'espace annulaire 11 au moyen d'un capteur de pression différentielle. A cet effet, on utilise la méthode dite méthode du zéro . Si le fluide contenu dans l'espace annulaire 11 de l'enceinte de pressurisation 10 est incompressible, la déformation de la gaine du crayon est négligeable et la variation de pression interne de celui-ci sera égale à la valeur de la contre-pression dans le capteur de pression différentielle 20. On précise que, en toute rigueur, ces conditions idéales ne sont pas atteintes et qu'il est nécessaire de corriger la valeur mesurée de la contre-pression par un coefficient de correction du système, déterminé très facilement par étalonnage. Les différentes opérations du procédé sont les suivantes. Tout d'abord, on introduit le crayon de combustible à contrôler dans l'enceinte de pressurisation 10 qui est rigide, la partie du crayon ne devant pas tre chauffée étant placée entièrement dans cette enceinte de pressurisation 10, la partie devant tre chauffée dépassant de cette enceinte de pressurisation 10. On coiffe ensuite la partie du crayon de combustible devant tre chauffée par la cloche calorifugée 15. On solidarise cette cloche calorifugée avec l'enceinte de pressurisation 10 tout en assurant l'étanchéité des deux volumes définis par ces deux récipients qui sont, d'une part, le volume interne 16 défini par la cloche calorifugée 15 et, d'autre part, l'espace annulaire 11 défini par l'intérieur de l'enceinte de pressurisation 10. Le joint d'étanchéité 12 assure cette étanchéité. Le verrouillage de la cloche calorifugée 15 sur l'enceinte de pressurisation 10 peut se faire au moyen d'un système de verrouillage du type à baïonnette. La phase suivante consiste à remplir l'intérieur de la cloche calorifugée 15, c'est-à-dire le volume interne 15 avec un fluide bon conducteur de la chaleur, par exemple de l'hélium, ou de l'azote. Pour effectuer ce remplissage, on utilise le circuit de remplissage constitué par une deuxième canalisation de remplissage 29 et une troisième vanne d'isolement 30 placées dans la partie supérieure du dispositif. Il est nécessaire ensuite de purger et de remplir l'espace annulaire 11 défini par la paroi interne de l'enceinte de pressurisation 10 et la paroi externe de la gaine 2 du crayon avec un liquide incompressible. On utilise, de préférence, de l'eau dégazée, ou du mercure. On utilise à cet effet le circuit de remplissage inférieur constitué par la première canalisation de remplissage 27 et la deuxième vanne d'isolement 28 placées dans la partie inférieure du dispositif. Lors des phases de chauffage des résistances chauffantes 17 placées dans le volume interne 16 de la cloche calorifugée 15 chauffent le volume d'expansion 5 de celui-ci contenant le ressort 4. Il est préférable de pressuriser légèrement, environ de 5 bars, l'espace annulaire 11 qui peut tre ensuite isolé grâce à la deuxième vanne d'isolement 28 se trouvant dans la partie inférieure et à la vanne d'isolement 26 se trouvant sur la canalisation de purge 24. Lors de la mesure, il faut appliquer en continu au capteur de pression différentielle 20 une contre-pression égale à la pression du liquide incompressible dans l'espace annulaire 11 de l'enceinte pressurisée 10. On utilise un asservissement du capteur pour effectuer la mesure du zéro. En d'autres termes, on applique une contrepression au capteur de pression différentielle 20, de façon à ce que le signal de ce dernier reste à 0. Cette pression est donc identique à la pression du fluide contenu dans l'enceinte pressurisée 10. On fait ainsi varier plusieurs fois et par étapes successives stabilisées, la température dans le volume d'expansion 5 et on enregistre, pour chaque température, la valeur de la contre-pression appliquée au capteur de pression différentielle 20. On précise qu'il est possible également de doubler cette enceinte pressurisée 10 d'une deuxième enceinte constamment pressurisée à la mme pression de la contre-pression appliquée au capteur de pression différentielle pendant la mesure, de façon à rendre son volume indépendant de la pression du fluide. Initialement, l'ensemble du crayon est à la température de l'enceinte pressurisée 10. De préférence, au début du cycle de mesure, le liquide contenu dans l'enceinte de pressurisation 10, par exemple de l'eau dégazée, est pressurisé à une valeur nominale de environ 5 bars, de façon à mettre légèrement en contrainte le système. Ceci permet également une dépressurisation possible de l'eau, lors des mesures à basses températures. A la fin du cycle de mesure, on trace la courbe expérimentale donnant la contre-pression appliquée au capteur différentielle de pression pendant toutes les mesures. Le procédé se termine par le calcul de la pression interne dans le crayon de combustible à partir de la formule suivante : La courbe de cette fonction est représentée à la figure 3. En abscisse, se trouve la température du volume d'expansion, exprimée en degrés Kelvin. En ordonnée, se trouve la pression à l'intérieur du crayon de combustion, exprimée en bars. En fait, on a représenté la courbe de la fonction relative à deux crayons différents. La courbe se trouvant en trait fort, ? 4 cycles, et se trouvant au-dessus de la seconde, est relative à un crayon usé par 4 cycles dans un réacteur à eau pressurisée. La deuxième courbe en trait fin, Pneuf, représente celle d'un crayon de combustible neuf. Le trait vertical est placé à 300 Kelvin et correspond à la température de 27 C. La pression interne à l'intérieur du crayon de combustible pour une température de 307 C dans le volume d'expansion culmine à 54,61 bars pour le crayon usagé et à 32,304 bars pour le crayon neuf. Il faut noter que deux procédés de mesure doivent tre pris en considération, suivant la nature du fluide utilisé dans l'enceinte de pressurisation. Si ce fluide dans l'enceinte de pressurisation 10 est parfaitement incompressible (on pense au mercure) et compte tenu de la rigidité de l'ensemble fluide/enceinte de pressurisation, toute variation de volume de la gaine de volume dans l'enceinte due à une variation de la pression interne du crayon de combustible est ramenée à 0 au niveau du capteur de pression différentielle par l'application de la contre-pression. Comme on peut le penser, ce processus est simple, rapide et très précis. Dans ce cas, la formule de la pression interne dans le crayon (formule 1), est exprimé par la formule suivante : En effet, la différence de pression interne est équivalente à la différence de la contre-pression de mesure. Par contre, dans le cas, non idéal, où le fluide est légèrement compressible et l'enceinte de pressurisation légèrement déformable, cette formule doit tre corrigée par un facteur tenant compte du nouvel équilibre. Ce facteur dépend de la compressibilité de l'ensemble de l'enceinte de pressurisation 10 et de son fluide, par exemple de l'eau, et de chaque crayon. On étalonne donc, une fois pour toutes, la rigidité de l'enceinte et de son liquide, tandis que la rigidité du crayon doit tre étalonnée pour chaque mesure. En effet, lorsque les crayons de combustible sont stockés en piscine, il est très pratique d'employer l'eau comme fluide à l'intérieur de l'enceinte de pressurisation. Celle-ci n'étant pas rigoureusement rigide et la compressibilité de l'eau n'étant pas négligeable, le volume de l'ensemble varie au cours de la mesure. Il en résulte donc une variation du volume de l'ensemble enceinte-eau, compensée par une variation égale du volume de la gaine et du crayon. A ce stade de déséquilibre, s'ajoute la déformation de la gaine qui nécessite la connaissance de sa compressibilité propre. Pour effectuer l'étalonnage de la compressibilité de l'ensemble eau/enceinte pressurisée, on insère une seringue étalon dans le circuit de fluide, par exemple entre l'enceinte pressurisée 10 et le capteur de pression différentielle 20. Le crayon de combustible est remplacé dans l'enceinte pressurisée par une barre métallique du mme volume, puis on amène le capteur de pression différentielle 20 à 0 à l'aide d'une contre-pression. On fait varier ensuite le volume de l'enceinte de pressurisation 10 en agissant sur la seringue, jusqu'à ce que la contre-pression atteigne une valeur donnée d'étalonnage ACPétalon, et on note cette variation de volume AVétalon-eau. Pour effectuer l'étalonnage de la compressibilité de l'ensemble eau/enceinte de pressurisation 10/crayon, on procède aux mmes opérations, le crayon ayant remplacé la barre métallique dans l'enceinte de pressurisation 10. La différence de pression interne est calculée comme l'indique la formule suivante : 1 AP, I ACP, ~ Erdonx ss VEtdon-crtyon de ce fait, la formule de calcul de la pression interne dans le crayon, à savoir la troisième formule, devient comme suit : 1 T . (TP. A+1) plus.(7-) I-'Tp-Tc. A CP (TP-TC) Erdon-Creyon VEtdon-Crayon \E'e. n-Cr Avantages de l'invention Il est possible de mesurer la pression interne dans tous les types de crayons combustibles irradiés ou non. Cette méthode est non destructive, précise, simple et rapide. L'acquisition des courbes de la variation de la contre-pression, c'est-à-dire de la pression interne dans le crayon de combustible, en fonction de la température du volume d'expansion, permet une interprétation immédiate de caractéristiques physiques jusqu'ici inaccessibles, telles que : -la pression interne d'un crayon de combustible au cours de sa durée de vie ; -la répartition des volumes gazeux entre le combustible et le volume d'expansion ; et -les pressions partielles des principaux gaz contenus. Le procédé utilise un étalonnage systématique, mais évite toute interprétation empirique. L'invention s'applique au contrôle des crayons segmentés. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure non destructive de la pression interne d'un crayon combustible comprenant une gaine (2) contenant un volume d'expansion (5) et des pastilles de combustible (1), comprenant les étapes suivantes : -pressuriser le crayon dans une enceinte de pressurisation (10) ; -imposer des variations de températures au crayon par chauffage d'une partie du crayon ; et -relever les variations de pression dans l'enceinte de pressurisation (10) au moyen d'un capteur de pression différentielle (20) en utilisant une contre-pression (20). 2. Procédé selon la revendication 1, le crayon ayant un volume d'expansion (5) placé dans la gaine (2) à l'extrémité de l'empilement de pastilles de combustible (1), caractérisé en ce que ladite partie chauffée du crayon est le volume d'expansion (5) et la pression interne du crayon est donnée par la formule suivante : avec APInt étant la différence de pression à l'intérieur de l'enceinte de pressurisation (10), lorsqu'il y a une variation de température du volume d'expansion entre Te et Tp ; To étant la température (5) de base choisie ; Tp étant la température à l'intérieur du volume d'expansion (5) ; Te étant la température à l'intérieur de l'enceinte de pressurisation (10). 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à thermaliser le volume d'expansion (5) alimenté en azote et en ce qu'il consiste à remplir l'intérieur de l'enceinte de pressurisation (10) avec un liquide incompressible. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à faire varier la température du volume d'expansion (5) par étape successive. 5. Dispositif de mesure non destructive de la pression interne d'un crayon combustible constitué d'une gaine (2) contenant un empilement de pastilles de combustible (1) et un volume d'expansion (5), caractérisé en ce qu'il comprend : -une enceinte de pressurisation (10), dans laquelle doit tre placé le crayon, munie d'une cloche calorifugée (15) entourant de façon étanche le volume d'expansion (5) du crayon et comprenant des moyens de chauffage (17) ou de refroidissement pour thermaliser ce volume d'expansion (5) du crayon ; et -un capteur de pression différentielle (20) branché d'un côté avec la partie intérieure non-chauffée de l'enceinte de pressurisation (10) et de l'autre côté avec une source de gaz sous pression par l'intermédiaire d'au moins une vanne de contre-pression (23). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le capteur de pression différentielle (20) est placé en dérivation d'une canalisation de purge (24) entre une première vanne d'isolement (26) et une vanne d'étalonnage (25) placée elle-mme entre le capteur de pression différentielle (20) et l'enceinte de pressurisation (10), la vanne de contre-pression (23) étant une électrovanne commandée par le capteur de pression différentielle (20). 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend une première canalisation de remplissage (27) de la partie non chauffée de l'enceinte de pressurisation (10), équipée d'une deuxième vanne d'isolement (28). 8. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend une deuxième canalisation de remplissage (29) du volume interne (16) définie par la cloche calorifugée (15) et équipée d'une troisième vanne d'isolement (30). 9. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de chauffage sont des résistances chauffantes (17) pour entourer le volume d'expansion (5) du crayon. 10. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la cloche calorifugée (15) est amovible par rapport à l'enceinte pressurisée (10) et est reliée à cette dernière par un système de fixation étanche au moyen d'un joint d'étanchéité (12).