Brevet FR3005196A1 — publié le 20141031

SYSTEME DE CONTROLE COMMANDE DE COEUR DE REACTEUR NUCLEAIRE DESCRIPTION Domaine technique et art antérieur L'invention concerne un système de contrôle commande de coeur de réacteur nucléaire. Le contrôle et la protection du coeur des réacteurs nucléaires des centrales nucléaires sont assurés, à puissance intermédiaire et à forte puissance, à l'aide de détecteurs de neutrons multi-sections distribués sur toute la hauteur du coeur du réacteur. Ils délivrent un courant continu qui mesure le flux neutronique et, en conséquence, la distribution axiale de puissance du coeur du réacteur nucléaire. Afin de garantir des mesures de puissance correctes, une procédure de remplacement des détecteurs de neutrons est mise en place dès lors que la réponse de ces derniers est modifiée selon un critère prédéterminé. Cette procédure de remplacement est décrite dans l'article intitulé « Identification of aging and damage of neutron measurement probe of PRN system in Daya Bay nuclear power station » (Hu-Ping ; Zhao-Fuyu / Nuclear Power ingineering, vol.30, n°1, pages 95-99). Le critère choisi pour remplacer les détecteurs est corrélé au vieillissement de ces derniers. Ce critère ne permet pas, cependant, de définir avec fiabilité une limite réelle de bon fonctionnement des détecteurs. Par ailleurs, cette procédure de contrôle impose, pour mesurer le critère de bon fonctionnement, une déconnection de la chaîne nucléaire. Le système de contrôle commande de l'invention ne présente pas les inconvénients mentionnés ci-dessus. Exposé de l'invention En effet, l'invention concerne un système de contrôle commande de coeur de réacteur nucléaire, caractérisé en ce qu'il comprend : - N chambres à fission CF, (i=1, 2, ..., N) positionnées le long du coeur de réacteur nucléaire, N étant un nombre entier supérieur ou égal à 2, chaque chambre à fission délivrant un courant représentatif d'une détection de neutrons provenant du coeur du réacteur nucléaire, - des moyens de conversion en tension aptes à convertir en tensions les courants représentatifs des détections de neutrons, - des moyens de conversion analogique/numérique aptes à numériser, simultanément, sous l'action d'un même signal d'horloge, les tensions délivrées par les moyens de conversion en tension, - des moyens de calcul aptes à calculer une valeur d'estimation statistique du flux neutronique d'ordre n Knc.F., de chaque chambre à fission CF, (i=1, 2, ..., N) et une valeur moyenne d'estimation du flux neutronique Ki, qui représente le flux neutronique moyen régnant au sein du coeur du réacteur nucléaire , telle que 1 Ki, =N et nCFi i=1 - des moyens de calcul aptes à calculer un indicateur de vieillissement de la chambre à fission CF, (i=1, 2, ..., N) à partir de la valeur d'estimation statistique du flux neutronique KncFc La valeur d'estimation statistique du flux neutronique d'ordre n, de la chambre à fission CF, est, par définition, l'estimateur du cumulant d'ordre n (« n order cumulant estimator » en langue anglaise) associé à la chambre à fission CF,. Selon une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, les moyens aptes à calculer un indicateur de vieillissement d'une chambre à fission CF, comprennent : - des moyens de calcul aptes à calculer une variance Var(Knc.F) telle que : 1 ----- 2 Var(KncF) = K . - ( K )` ' - avec 111 CFi n CFi j=1 1 K . = . nCFt K 111 CFi j=1 où K est un nombre de valeurs d'estimation choisi pour le calcul de la variance et pour le calcul de la moyenne des valeurs d'estimation statistique de flux neutronique associée à chaque chambre à fission CF, (i=1, 2, ..., N). - des moyens de calcul aptes à calculer, à partir de la variance Var(Knc.F), une grandeur ou_ % qui est l'écart-type relatif en pourcentage de KncFi l'estimateur du taux de comptage associé à la valeur d'estimation du flux neutronique Knc.F.1 de la chambre à fission CF, , telle que : % = 100. KncFi Var ()i.) Â2 ' avec Var(iCnc.Fi) Var(Âni) = 2' et (fo- hi(t)n dt) funCFi - GO Ù E fo hi(t)n dt hi(t) est la réponse impulsionnelle théorique moyenne de la chambre à fission CF/ , et Âni est l'estimateur du taux de comptage X, associé au cumulant d'ordre n et à la chambre CF/ , et - des moyens de comparaison aptes à délivrer l'indicateur de vieillissement sur la base d'une comparaison entre la grandeur ou_ % et un seuil (ro. KncFi Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, l'ordre n est égal à 2 ou 3. Le système de contrôle commande de l'invention définit avantageusement un indicateur qualitatif objectif sensible à la dégradation liée au vieillissement des chambres à fission. De façon avantageuse, le suivi de l'évolution et de la dégradation des chambres à fission s'effectue sans déconnecter la chaîne nucléaire et sans complexifier le système. De façon avantageuse, également, l'indicateur de vieillissement de l'invention est formé à partir des valeurs d'estimation du flux neutronique qui sont utilisées, par ailleurs, pour assurer le contrôle et la protection du coeur du réacteur nucléaire. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel fait en référence aux figures jointes, parmi lesquelles : - La figure 1 représente la réponse impulsionnelle moyenne mesurée d'une chambre à fission en fonction du vieillissement de la chambre à fission ; - La figure 2 représente la réponse impulsionnelle théorique moyenne d'une chambre à fission en fonction du vieillissement de la chambre à fission ; - La figure 3 représente un schéma de principe du système de contrôle commande de l'invention ; - La figure 4 représente un signal de sortie de chambre à fission modélisé par un processus de Poisson filtré par la réponse impulsionnelle théorique moyenne de la chambre à fission, pour une valeur de vieillissement de OH ; - Les figures 5, 6 et 7 représentent des fonctions d'autocorrélation normalisées du signal de sortie d'une chambre à fission en fonction du vieillissement ; - Les figures 8 et 9 représentent des courbes qui simulent l'évolution de la grandeur ou_ % en fonction du taux de comptage Â dans le cas où n est KncFi respectivement égal à 2 et à 3. Sur toutes les figures, les mêmes références désignent les mêmes éléments. Exposé détaillé d'un mode de réalisation particulier de l'invention La figure 1 représente la réponse impulsionnelle moyenne mesurée d'une chambre à fission exposée à un flux neutronique de 1014 n.cm-2.s-1 en fonction du vieillissement de la chambre à fission. Le vieillissement du détecteur engendre une modification de forme de la réponse impulsionnelle. La courbe Il représente une mesure d'impulsion moyenne de chambre à fission exposée au flux neutronique après 0 heure de fonctionnement et la courbe 12 représente une mesure d'impulsion moyenne de la même chambre à fission exposée à un flux neutronique de même intensité, après 500 heures de fonctionnement. On observe un élargissement de la réponse impulsionnelle. Cet élargissement de la réponse impulsionnelle est lié au ralentissement de la collecte des charges, lequel ralentissement de collecte est dû à la présence de polluants gazeux (présence d'oxygène et de produits de fission gazeux qui ralentissent la collection des charges au sein de l'espace inter-électrode). Cependant, l'intégrale du signal (i.e. la quantité de charges) est conservée pour une impulsion correspondant à un produit de fission donné d'énergie donnée. Ceci a pour conséquence directe de réduire en valeur absolue l'amplitude de la réponse impulsionnelle. La figure 2 représente la réponse impulsionnelle théorique moyenne d'une chambre à fission exposée à un flux neutronique d'intensité donnée, en fonction du vieillissement. La courbe C1 correspond à un vieillissement de OH, la courbe C2 correspond à un vieillissement de 500H et la courbe C3 correspond à un vieillissement de 2000H. Pour la réponse impulsionnelle théorique moyenne h(t) du détecteur, la Demanderesse a choisi de formuler celle-ci avec l'équation ci-dessous : h(t) = A (e-Oit - e-e2t) , où A est le paramètre amplitude de la réponse impulsionnelle théorique moyenne, et Oiet 02 sont des paramètres temporels propres de la réponse impulsionnelle théorique moyenne. Le tableau 1 ci-dessous regroupe l'ensemble des valeurs choisies par la Demanderesse pour les paramètres A, Oi et 02 pour les vieillissements respectifs de OH, 500 H et 2000 H. A 01 02 0 H 8,35.10-1 V 2.108s-1 3,12.107s-1 500 H 4,25.10-1 V 2.108s-1 1,11.107s-1 2000 H 1,37.10-1V 2.108s-1 5,55.106s-1 Tableau 1 La comparaison des courbes représentées sur les figures 1 et 2 conduit à constater la pertinence du choix fait par la Demanderesse de la réponse impulsionnelle théorique moyenne d'une chambre à fission. La figure 3 représente un système de contrôle commande de l'invention. Le système de contrôle commande comprend : - un ensemble de N chambres à fission CF1, CF2, CF3, ..., CFN qui délivrent chacune un signal de courant de détection, - des moyens de liaison T qui comprennent des câbles permettant de déporter l'électronique de traitement des conditions d'ambiance radiologiques qui existent à proximité du coeur du réacteur ; - des moyens de conversion en tension PAI., PA2, ..., PAN aptes à convertir et amplifier en tensions les courants de détection délivrés par les chambres à fission, - des moyens de conversion analogique/numérique CAN', CAN2, ..., CANN aptes à numériser, simultanément, sous l'action d'un même signal d'horloge délivré par un circuit d'horloge H, les tensions délivrées par les moyens de conversion en tension, et - des moyens de traitement P, M, CMP aptes à traiter les tensions numériques délivrées par les moyens de conversion analogique/numérique. Les N chambres à fission sont positionnées le long d'un coeur de réacteur 1 placé dans un bâtiment B. Les moyens de liaison T extraient les signaux de courant de détection du bâtiment B. Les N signaux de courant de détection extraits du bâtiment B constituent les signaux d'entrée de N pré-amplificateurs à collecte de courant PA2, PA3, ..., PAN qui assurent une conversion courant/tension sur toute la dynamique de puissance du réacteur nucléaire, par exemple une dynamique de 12 décades. Les N signaux de tension qui résultent de la conversion courant/tension sont ensuite numérisés, respectivement, à l'aide de N convertisseurs analogique/numérique CAN', CAN2, CAN3, CANN cadencés simultanément par un même signal d'horloge délivré par le circuit d'horloge H. Chaque signal de tension numérique V(k), (i=1, 2, ..., N) délivré par le convertisseur analogique/numérique CAN, est constitué d'une succession d'échantillons numériques . Les N signaux de tension numériques V(k)1, V(k)2, V(k)3, V(k)N délivrés, respectivement, par les N convertisseurs analogique/numérique, constituent les signaux d'entrée du circuit logique programmable P. Le circuit logique programmable P calcule, pour chaque signal de tension numérique V(k), (i=1, 2, ..., N), la valeur d'estimation statistique du flux neutronique Knc.F., de la chambre à fission CF,. Ensuite, à partir des N valeurs d'estimation statistique de flux neutronique Knc.F.1 (i=1, 2, 3, ..., N) ainsi calculées, le circuit logique programmable P calcule la valeur moyenne d'estimation du flux neutronique Ki, qui représente le flux neutronique moyen régnant au sein du coeur du réacteur nucléaire. Il vient : 1 Kn = NKnCFi i=1 La valeur d'estimation statistique du flux neutronique Knc.F.1 de la chambre à fission CF, est, par définition, l'estimateur du cumulant d'ordre n associé à la chambre à fission CF,. Selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention, l'ordre n est égal à 2 ou 3. Les estimateurs des cumulants d'ordre 2 et 3 ,K2c.F., et K3c.F.,, s'écrivent, respectivement : 1 K2CFi -Nech(Nech 1)[NechS2- S1i21 1 = t .31 -CFi Nech(Nech 1)(Nech - 2) [Neh2 S3 - 3 Nech S2 Si + 2 Si - avec : N ech S'=(11 (k)3J k=1 OÙ Nec* est le nombre d'échantillons numériques choisi, pour assurer la convergence de l'estimateur statistique du flux neutronique (typiquement égal à plusieurs milliers), et j est un nombre entier. 15 Les valeurs d'estimation de flux neutronique Knc.F.1 (i=1, 2, 3, ..., N) sont utilisées, de façon connue en soi, pour assurer le contrôle et la protection du coeur du réacteur nucléaire. Sur la base des valeurs d'estimation statistique du flux neutronique 20 Knc.FI, le circuit logique programmable P calcule également , pour chaque chambre à fission CF,, la variance Var(Knc.F3 de l'estimateur d'ordre n choisi. Il vient : 1 2 2 Var(Knc.Fi) = K . CFi (KnCFi) ; avec j=1 10 1 K . = K . nCFt K CFi j=1 où K est le nombre de valeurs d'estimation choisi pour le calcul de la variance de l'estimateur statistique du flux neutronique d'ordre n de la chambre à fission CF, . Pour chaque variance Var(Knc.F3 le module de calcul M calcule alors la grandeur ou_ % qui est l'écart-type relatif en pourcentage de l'estimateur du taux de KncFi comptage associé à la valeur d'estimation du flux neutronique Knc.F.1 de la chambre à fission CF,. Il vient : GÂ- % = 100. Var (,Ç.) K i avec Â2 ' V ar (1-(7,2 c. Fi) et V ar(Âni) = (fo hi (On dt)2 funCFi Â - - nE foGc hi(t)n dt OU MO est la réponse impulsionnelle théorique moyenne de la chambre à fission CFi, et Âni est l'estimateur du taux de comptage X associé au cumulant d'ordre n et à la chambre CF,. Des moyens de comparaison CMP délivrent l'indicateur de vieillissement sur la base d'une comparaison entre la grandeur ou_ % et un seuil o-0. KncFi A cette fin, le comparateur CMP reçoit, sur sa première entrée, l'écart- type en pourcentage ou_ % et, sur sa deuxième entrée, la valeur de seuil o-0. Il résulte KncFi de la comparaison entre ou_ % et 0-0 un signal de comparaison S qui constitue KncFi l'indicateur de vieillissement de la chambre à fission CF;. Si ou_ % est supérieur ou égal à o-0, il est considéré que la chambre à KncFi fission CF; a dépassé la durée de vieillissement autorisée, et si ou_ % est inférieur à o-0, il est considéré que la chambre à fission Kn cFi n'a pas atteint sa durée de vieillissement autorisée. Les figures 5, 6 et 7 représentent des fonctions d'autocorrélation normalisées du signal de sortie d'une chambre à fission en fonction du vieillissement pour différentes valeurs de taux de comptage et pour une fréquence d'échantillionnage Fe du convertisseur analogique numérique CAN égale à 10 MHz. Le signal de sortie pris en compte pour établir ces courbes d'autocorrélation est modélisé par un processus de Poisson filtré par la réponse impulsionnelle théorique moyenne de la chambre à fission à différentes valeurs de vieillissement (typiquement OH, 500H et 2000H). La figure 4 représente, à titre d'exemple non limitatif, le signal de sortie numérisé V(k) d'une chambre à fission pour un vieillissement de OH et un débit de fluence neutronique Â égal à 107 Cps (Cps pour « Coups par seconde »). Les courbes AT11, AT12 et AT13 de la figure 5 représentent, respectivement, les fonctions d'autocorrélation normalisées du signal de sortie d'une chambre à fission pour les vieillissement respectifs de OH, 500H et 2000H, dans les conditions suivantes : débit de fluence neutronique Â égal à 106 Cps, Fréquence d'échantillonnage Fe du convertisseur analogique numérique CAN égale à 10MHz, Durée d'observation 1ms. Les courbes AT21, AT22 et AT23 de la figure 6 représentent, respectivement, les fonctions d'autocorrélation normalisées du signal de sortie d'une chambre à fission pour les vieillissement respectifs de OH, 500H et 2000H, dans les conditions suivantes : débit de fluence neutronique Â égal à 107 Cps, Fréquence d'échantillonnage Fe du convertisseur analogique numérique CAN égale à 10 MHz, Durée d'observation 1ms. Les courbes AT31, AT32 et AT33 de la figure 7 représentent, respectivement, les fonctions d'autocorrélation normalisées du signal de sortie d'une chambre à fission pour les vieillissement respectifs de OH, 500H et 2000H, dans les conditions suivantes : débit de fluence neutronique X égal à 108 Cps, Fréquence d'échantillonnage Fe du convertisseur analogique numérique CAN égale à 10 MHz, Durée d'observation 1ms. Il apparaît, sur les figures 5-7, que la fonction d'autocorrélation normalisée du signal de sortie de chambre à fission augmente très sensiblement en fonction du taux de comptage X. Par ailleurs, on constate une augmentation supplémentaire de la fonction d'autocorrélation en fonction du vieillissement, laquelle augmentation supplémentaire est imputable à l'évolution de forme de la réponse impulsionnelle théorique moyenne de la chambre à fission liée au vieillissement. Les figures 8 et 9 représentent des courbes qui simulent des évolutions d'écart-types relatifs en pourcentage délivrés par le système de contrôle commande de l'invention en fonction du taux de comptage. Les courbes A1, A2 et A3 de la figure 8 représentent, respectivement, l'écart-type relatif en pourcentage de l'estimateur du taux de comptage associé à l'estimateur d'ordre 2, ou_ %, en fonction du taux de comptage ?t, pour une K2CFi chambre à fission CF,, pour les vieillissement respectifs de OH, 500H et 2000H, dans les conditions suivantes : Fréquence d'échantillonnage égale à 10 MHz; Durée d'observation 1ms. Les courbes B1, B2 et B3 de la figure 9 représentent, respectivement, l'écart-type relatif en pourcentage de l'estimateur du taux de comptage associé à l'estimateur d'ordre 3, ou_ %, en fonction du taux de comptage ?t, pour une chambre K3CFi à fission CF,, pour les vieillissements respectifs de OH, 500H et 2000H, dans les conditions suivantes : Fréquence d'échantillonnage égale à 10 MHz; Durée d'observation 1ms. Des courbes 8 et 9, il ressort que la précision de l'estimateur du débit de fluence neutronique varie en fonction du choix de l'estimateur de flux neutronique. En effet, on observe une dégradation additionnelle de 9,2% de précision du flux neutronique entre OH et 2000H associée à l'estimateur d'ordre 3 pour un débit de fluence neutronique X égal à 108 Cps. En revanche, cette dégradation additionnelle de précision entre OH et 2000H est de 0,74% associée à l'estimateur d'ordre 2 pour un débit de fluence neutronique X égal à 108 Cps. Le choix de l'estimateur de flux neutronique est donc important. Néanmoins, la dégradation additionnelle de précision introduite par l'estimateur d'ordre 2 n'est pas négligeable ramenée, par exemple, à 1% de précision recherchée. Par ailleurs, les courbes 8 et 9 montrent, pour un même débit de fluence neutronique X égal à 108 Cps, un écart entre les valeurs d'écart-type relatif en pourcentage de l'estimateur du taux de comptage à OH et à 2000H plus important à l'ordre 3 qu'a l'ordre 2. Cette différence est liée à la corrélation des échantillons du signal V(k),, dont l'impact est d'autant plus important que l'ordre retenu pour l'estimateur augmente.20 REVENDICATIONS1. Système de contrôle commande de coeur de réacteur nucléaire, caractérisé en ce qu'il comprend : - N chambres à fission CF, (i=1, 2, ..., N) positionnées le long du coeur de réacteur nucléaire, N étant un nombre entier supérieur ou égal à 2, chaque chambre à fission délivrant un courant représentatif d'une détection de neutrons provenant du coeur de réacteur, - des moyens de conversion en tension (PAI., PA2, ..., PAN) aptes à convertir en tensions les courants représentatifs des détection de neutrons délivrés par les différentes chambres à fission, - des moyens de conversion analogique/numérique (CAN', CAN2, CANN) aptes à numériser, simultanément, sous l'action d'un même signal d'horloge, les tensions délivrées par les moyens de conversion en tension, - des moyens de calcul (P) aptes à calculer une valeur d'estimation statistique du flux neutronique d'ordre n Knc.F., de chaque chambre à fission CF, et une valeur moyenne d'estimation du flux neutronique Ki, qui représente le flux neutronique moyen régnant au sein du coeur du réacteur nucléaire telle que 1 Kn = NKnCFi i=1 - des moyens (M, CMP) aptes à calculer un indicateur de vieillissement (S) de chambre à fission CF, à partir de la valeur d'estimation statistique du flux neutronique Knc.F.1 de la chambre à fission CF,. 2. Système de contrôle commande de coeur de réacteur nucléaire selon la revendication 1, dans lequel les moyens aptes à calculer un indicateur de vieillissement(S) d'une chambre à fission CF, à partir de la valeur d'estimation statistique du flux neutronique Knc.F., de la chambre à fission CF, comprennent : - des moyens de calcul aptes à calculer une variance Var(KncF3 telle que : K , 1 2 - Var(K = -K . nCFi) K n-1 CFi - ( KCFi )2 ' . avec n j=1 1 K = . nCFi K n-1 CFi j=1 où K est un nombre de valeurs d'estimation choisi pour le calcul de ladite variance de l'estimateur statistique du flux neutronique d'ordre n de la chambre à fission CF,, - des moyens de calcul aptes à calculer, à partir de la variance Var(Knc.Fi), une grandeur ou_ % qui est l'écart-type relatif en pourcentage de KncFi l'estimateur du taux de comptage associé à la valeur d'estimation du flux neutronique KnCFi de la chambre à fission CF, : GÂ- % = 100. Var ()i.) K i avec Â2 ' Var (1-(7,2 cFi) et Var (,Ç.) = (fo hi(t)n.dt)2 funCFi - n foGc hi (t) n dt OÙ 15 MO est la réponse impulsionnelle théorique moyenne de la chambre à fission CFi, etÂni est l'estimateur du taux de comptage X associé au cumulant d'ordre n et à la chambre à fission CFi, - des moyens de comparaison (CMP) aptes à délivrer l'indicateur de vieillissement (S) sur la base d'une comparaison entre l'écart-type relatif en pourcentage ou_ % et un seuil Go. KncFi 3. Système de contrôle commande de coeur de réacteur nucléaire selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel l'ordre n est égal à 2 ou 3.10