Brevet FR3019932A1 — publié le 20151016

DETECTEUR DE NEUTRONS AUTOALIMENTES D'UN REACTEUR A EAU PRESSURISEE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [0001] L'invention se rapporte au domaine des détecteurs de neutrons autoalimentés présents dans un réacteur à eau sous pression (REP). [0002] L'invention concerne plus particulièrement les détecteurs de neutrons autoalimentés introduits par la partie supérieure (i.e. le couvercle) d'un réacteur à eau pressurisée. [0003] L'invention concerne plus particulièrement les détecteurs de neutrons autoalimentés à réponse lente mais est également applicable aux détecteurs de neutrons autoalimentés à réponse rapide. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE [0004] Les détecteurs de neutrons autoalimentés, également appelés « collectrons », ont été développés pour permettre la mesure précise et en position fixe des distributions de puissance dans le coeur des réacteurs. Ce type de détecteur est utilisé dans les réacteurs à eau sous pression, ainsi que sur des réacteurs expérimentaux. [0005] Les collectrons ont une structure et un fonctionnement simples. Ils se présentent sous la forme d'un câble coaxial de faible diamètre (i.e. de l'ordre de 1 à 2 mm). L'âme centrale du câble coaxial (i.e. du collectron) est composée de deux câbles et d'un isolant entourant les dits deux câbles : i) un premier câble dont une première partie sensible au flux de neutrons, appelée émetteur, est constituée par un isotope générant des électrons grâce à une réaction neutron/matière et une seconde partie est constituée par un câble métallique relié mécaniquement et électriquement à l'émetteur (i.e. la première partie) ; ii) un deuxième câble métallique identique dans sa nature et son diamètre au premier câble, non relié à l'émetteur, dit « câble de compensation ». iii) les deux câbles sont entourés d'un isolant, généralement de l'alumine. [0006] Le tout, c'est-à-dire l'âme centrale, est entouré d'une gaine métallique afin de constituer un câble coaxial. [0007] Les collectrons sont placés et maintenus à l'intérieur du coeur du réacteur en permanence pendant le fonctionnement du réacteur. La plupart des réacteurs de type REP en service sont équipés d'un système d'instrumentation du coeur pénétrant dans la cuve par le bas, à travers des pénétrations, dites fond de cuve. Il existe cependant des réacteurs du type REP dans lesquels les collectrons sont introduits par le haut de la cuve via des pénétrations ménagées dans le couvercle de la cuve. Dans cette dernière catégorie de réacteurs, les détecteurs de neutrons autoalimentés cheminent dans des éléments mécaniques formant les « internes supérieurs » du réacteur situés sous le couvercle de la cuve et au-dessus du coeur. [0008] Les collectrons sont classés en deux catégories : - les collectrons à réponse lente, (généralement au rhodium) pour lesquels la réaction neutron/matière va donner lieu à une émission par l'émetteur, d'électrons par radioactivité 13- ; dans ce cas, l'établissement d'un courant stable est fonction de la période de désintégration radioactive des isotopes formés ; - les collectrons à réponse rapide (généralement au cobalt) pour lesquels la réaction neutron/matière va donner lieu à une émission d'électrons par effets Compton ou photo-électrique suite à l'absorption radiative des neutrons par l'émetteur ; le temps de réponse est inférieur à 30ms mais le rapport signal/bruit est beaucoup plus faible que pour les collectrons lents. [0009] Comme illustré à la figurel, en fonction de la conception des internes supérieurs, les détecteurs auto-alimentés introduits par le couvercle 20 du réacteur nucléaire 10 sont amenés à être cintrés afin d'épouser au mieux les liaisons situées d'une part entre les ensembles mécaniques verticaux formés par les lances d'instrumentation 31 (« instrumentation lances » en langue anglaise), et les ensembles mécaniques horizontaux 32 (i.e. les bras d'instrumentation (« yoke » en langue anglaise) et d'autre part entre les bras d'instrumentation 32 (ensembles horizontaux) et les doigts d'instrumentation verticaux 33 («instrumentation finger » en langue anglaise) plongeant dans un tube spécifique dit tube d'instrumentation au sein des éléments combustible. Ce tube d'instrumentation peut être un des tubes-guide composant le squelette mécanique de l'élément combustible ou le tube central. [0010] Les rayons de courbure qui découlent de ces liaisons dont certaines peuvent être à angle droit peuvent être très courts, de l'ordre de quelques centimètres. Le nombre de détecteurs auto-alimentés au rhodium présents dans les éléments combustibles est en général de six à huit disposés à différents niveaux dans le coeur. Ainsi, il est constitué un faisceau de huit câbles coaxiaux au plus, qui chemine dans les internes supérieurs. Il peut aussi y avoir un thermocouple ce qui fait que le nombre de câbles est au maximum de neuf. Compte tenu des géométries et des rayons de courbures très faibles des collectrons imposés par les internes supérieurs et contrairement aux réacteurs nucléaires de type REP équipés d'un système d'instrumentation du coeur pénétrant dans la cuve par le bas, il est impossible de protéger ce faisceau par un conduit extérieur qui protégeraient l'ensemble des câbles coaxiaux d'un contact direct avec l'eau du circuit primaire et donc d'un phénomène de corrosion pouvant entraîner une perte irréversible d'isolement électrique et une incapacité à mesurer le flux de neutrons. En effet, l'ensemble ainsi formé serait trop rigide et ne pourrait pas être cintré avec les rayons de courbures requis. [0011] De plus, les diamètres de passage des détecteurs de neutrons au niveau des systèmes d'étanchéité des lances d'instrumentation 31 avec le couvercle 20 sont définis historiquement pour le passage de collectrons à réponse rapide (i.e. de l'ordre de 2 mm de diamètre), ce qui rend impossible l'aménagement d'un conduit extérieur autour du faisceau de collectrons. [0012] Ainsi, le faisceau de collectrons chemine nu dans les internes supérieurs sans conduit protecteur extérieur, occasionnant un contact direct avec l'eau du circuit primaire. EXPOSE DE L'INVENTION [0013] Dans ce contexte, l'invention vise à améliorer cette situation en proposant un détecteur de neutrons autoalimenté adapté pour être introduit par le couvercle d'un réacteur nucléaire à eau pressurisée permettant de diminuer le risque de corrosion du câble coaxial constituant le collectron et donc diminuer le risque de perte de la fonction de détection de neutrons. [0014] A cette fin, l'invention a pour objet un détecteur de neutrons autoalimenté d'un réacteur nucléaire à eau pressurisée comportant une cuve et un couvercle, ledit couvercle présentant au moins une pénétration pour le passage d'une lance d'instrumentation comportant un dispositif d'étanchéité, ledit détecteur étant destiné à être introduit à l'intérieur du coeur par la lance d'instrumentation elle-même traversant le couvercle dudit réacteur, ledit détecteur étant caractérisé en ce qu'il comporte un conduit extérieur creux qui entoure un unique câble coaxial formant des moyens de détection de neutrons, le diamètre externe dudit conduit extérieur creux étant dimensionné de manière à être introduit à travers ledit dispositif d'étanchéité situé dans la lance d'instrumentation traversant ledit couvercle dudit réacteur nucléaire. [0015] Ainsi, l'invention propose un détecteur de neutrons autoalimenté introduit à travers le couvercle de la cuve d'un réacteur nucléaire à eau pressurisée fonctionnant en environnement sec, permettant par conséquent de réduire les risques de corrosion sous contrainte d'un câble du collectron, en évitant le contact direct du câble coaxial avec liquide primaire du réacteur, tout en respectant les contraintes géométriques d'un détecteur de neutrons (dont les longueurs et diamètres de chaque partie du détecteur sont fixés par la sensibilité du détecteur), et les exigences de forme imposées par l'implantation d'une instrumentation neutronique interne du coeur à base de collectrons positionnés à des emplacements fixes dans un réacteur de type REP vis à vis du système d'étanchéité entre le conduit extérieur et les lances d'instrumentation au niveau des pénétrations du couvercle. [0016] Avantageusement, le détecteur selon l'invention est un détecteur de neutrons à réponse lente. [0017] L'invention est particulièrement adaptée aux instrumentations internes formées par la combinaison de détecteur de neutrons à réponse lente et de détecteur de neutrons à réponse rapide. [0018] Avantageusement, l'invention propose un détecteur de neutrons, typiquement à réponse lente, isolé du liquide de refroidissement primaire d'un réacteur de type REP par un conduit extérieur individuel dont le diamètre extérieur, au niveau de la pénétration du couvercle, est inférieur ou égal à 2mm de manière à pouvoir s'implanter facilement dans les passages des dispositifs d'étanchéité situés dans les lances d'instrumentation. [0019] Ainsi, l'invention propose de protéger individuellement chaque détecteur autoalimenté, et particulièrement les détecteurs de type collectron au rhodium, dans un conduit extérieur de diamètre réduit, et non l'ensemble du faisceau regroupant l'ensemble des détecteurs placés dans un assemblage combustible, afin que l'ensemble puisse être cintré selon les rayons de courbures exigées par l'implantation de l'instrumentation interne dans le coeur du réacteur et le cheminement des câbles dans les éléments mécaniques dits Internes supérieurs de la cuve. [0020] Le détecteur de neutrons autoalimenté selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - le diamètre externe du conduit extérieur creux est inférieur ou égal à 2 millimètres le long de son cheminement dans la cuve ; - le diamètre extérieur dudit conduit extérieur creux est égal à 1,9 mm au niveau de la pénétration du couvercle ; - le détecteur de neutrons est un détecteur à réponse lente comportant un émetteur au rhodium ou vanadium ; - le détecteur de neutrons est un détecteur à réponse rapide comportant un émetteur au cobalt ou au platine ou hafnium ; - le conduit extérieur creux est un conduit métallique non sensible aux phénomènes de corrosion sous contrainte dans l'eau primaire du réacteur ; - le conduit extérieur creux est en acier inoxydable ; le conduit extérieur est une pièce monobloc et continue ; le conduit extérieur comporte un bouchon soudé à son extrémité. [0021] Avantageusement, le système d'instrumentation interne d'un réacteur nucléaire à eau pressurisée comporte au moins un détecteur de neutrons autoalimenté à réponse lente selon l'invention et/ou au moins un détecteur de neutrons autoalimenté à réponse rapide. [0022] Avantageusement, le système d'instrumentation interne d'un réacteur nucléaire à eau pressurisée comporte au moins un thermocouple. [0023] L'invention a également pour objet un réacteur nucléaire à eau pressurisée comportant un couvercle, une cuve, un système d'instrumentation interne fixe selon l'invention. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [0024] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées. [0025] La figure 1 déjà décrite dans le préambule illustre une vue d'ensemble 10 d'un réacteur nucléaire à eau comportant des détecteurs de neutrons de type collectrons positionnés à emplacements fixes selon l'état de la technique. [0026] La figure 2 illustre une vue schématique d'un détecteur de neutrons autoalimenté à réponse lente selon l'invention. [0027] Les figures 3 à 6 sont différentes vues en coupe du détecteur de 15 neutrons selon l'invention réalisées selon les repères illustrés à la figure 2. [0028] Dans toutes les figures, les éléments communs portent les mêmes références sauf précision contraire. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION [0029] La figure 2 illustre une vue schématique d'un détecteur de neutrons 20 autoalimenté à réponse lente 200 selon l'invention en position dans une cuve (non représentée) d'un réacteur nucléaire à eau pressurisée, et introduit dans la cuve au travers d'une pénétration 110 agencée dans le couvercle 100. Les figures 3 à 6 représentent différentes vues en coupe du détecteur à neutrons avec le conduit extérieur selon l'invention à différents niveaux dans le réacteur nucléaire. 25 [0030] La figure 3 illustre une vue en coupe du détecteur de neutrons 200 selon l'invention au niveau de la lance d'instrumentation 120 d'un réacteur nucléaire à eau pressurisée. [0031] La figure 4 illustre une vue en coupe du détecteur de neutrons 200 selon l'invention au niveau du bras d'instrumentation d'un réacteur nucléaire à eau pressurisée. [0032] La figure 5 illustre une vue en coupe du détecteur de neutrons 200 selon l'invention au niveau des internes supérieurs d'un réacteur nucléaire à eau pressurisée. [0033] La figure 6 illustre une vue en coupe du détecteur neutrons 200 selon l'invention au niveau du coeur du réacteur. [0034] Le détecteur de neutrons à réponse lente 200 selon l'invention est un 10 détecteur de neutrons au rhodium formé par un câble coaxial 240 comportant une âme centrale constituée par : - un fil signal 250, par exemple réalisé en Inconel@ , relié à son extrémité inférieure à un émetteur rhodium 220, - un émetteur 220, par exemple au rhodium ou au vanadium, relié 15 électriquement et mécaniquement au fil signal 250, d'une longueur de quelque dizaine de centimètres, capable d'absorber les neutrons puis d'émettre des électrons qui seront transportés par le fil signal, - un fil de compensation 230 par exemple réalisé en Inconel® , - un isolant électrique 270, généralement de l'alumine, entourant les fils 20 métalliques 250, 230. [0035] L'âme centrale est entourée par une gaine 245, par exemple en Inconel 600 ® protégeant ainsi les deux fils, signal 250 et compensation 230. [0036] Le détecteur de neutrons 200 selon l'invention comporte également un conduit extérieur 210 entourant le câble du collectron 240 sur toute sa longueur, et 25 au moins sur toute la partie du câble située à l'intérieur de la cuve du réacteur. Les dimensions du conduit extérieur 210 sont imposées en partie supérieure (au niveau de la pénétration du couvercle) par la dimension de la pénétration 110 du couvercle 100 ainsi que par les dimensions de la lance d'instrumentation 120 et du système d'étanchéité 300, et en partie inférieure par les dimensions de la gaine du 30 câble du collectron au niveau de l'émetteur 220 sensible aux neutrons. [0037] En effet, le diamètre extérieur du câble coaxial 240 au niveau de la partie sensible aux neutrons, correspondant au diamètre de l'émetteur rhodium 220 ainsi que le diamètre de l'émetteur au rhodium 220, sont des dimensions figées propres aux détecteur de type collectrons car leurs sensibilités ainsi que leurs précisions de mesure en dépendent. [0038] Ainsi, de manière classique, les détecteurs autoalimentés au rhodium comportent un câble coaxial 240 comportant un diamètre externe Del (ca) plus important au niveau de la partie sensible aux neutrons, symbolisé par la référence Z1 à la figure 2, que le diamètre externe De2(ca), De3(ca) de la partie non sensible aux neutrons. Rappelons que le diamètre externe De2(ca) correspond au diamètre externe du câble coaxial 240 au niveau des internes supérieurs illustré en coupe à la figure 5 et au niveau du bras horizontal d'instrumentation illustré en coupe à la figure 4, et que le diamètre externe De3(ca) correspond au diamètre externe du câble coaxial 240 passant au travers de la pénétration 110 du couvercle 100 illustré à la figure 3. [0039] C'est donc au niveau de la deuxième partie, c'est-à-dire au niveau de la partie non sensible aux neutrons, du câble coaxial 240, qui présente un diamètre extérieur égal à De2(ca) et qui chemine dans les internes supérieurs au niveau des jonctions à angle droit situées d'une part entre les ensembles mécaniques verticaux représentés par la lance d'instrumentation 120 et horizontaux (bras d'instrumentation) et d'autre part entre les bras d'instrumentation (horizontaux) et les doigts d'instrumentation verticaux, que l'on doit cintrer suivant des rayons de courbure imposés. [0040] Avantageusement, le câble coaxial 240 ainsi formé par l'âme centrale et la gaine 245, présente un diamètre de l'ordre de 1,1 mm au niveau de la partie non sensible aux neutrons. [0041] Dans la présente invention, le câble coaxial 240 est inséré dans un conduit extérieur 210 présentant un diamètre extérieur pouvant être variable. Pour simplifier la description, le conduit extérieur 210 selon l'invention présente une épaisseur constante ; toutefois, la présente invention est également applicable avec un conduit extérieur 210 présentant des épaisseurs variables tant que l'encombrement du conduit extérieur répond aux différentes contraintes environnantes du réacteur. L'épaisseur du conduit extérieur 210 est dimensionnée de manière à résister mécaniquement à la pression du liquide primaire. [0042] Ainsi, de manière à répondre aux contraintes de dimensions environnantes, le conduit extérieur 210 présente : - un diamètre extérieur au niveau de la lance d'instrumentation 120 présentant une valeur De3(cd) inférieure au diamètre intérieur de la lance d'instrumentation 120, et typiquement inférieur à 2 mm ; et avantageusement de l'ordre de 1,9 mm ; - un diamètre extérieur du conduit au niveau du bras d'instrumentation et au niveau des internes supérieurs présentant une valeur De2(cd), avantageusement dans le mode de réalisation illustré à la figure 2, De2(cd) REVENDICATIONS1. Détecteur de neutrons autoalimenté (200) d'un réacteur nucléaire à eau pressurisée comportant une cuve et un couvercle (100), ledit couvercle présentant au moins une pénétration (110) pour le passage d'une lance d'instrumentation (120) comportant un dispositif d'étanchéité (300), ledit détecteur étant destiné à être introduit à l'intérieur du coeur par ladite lance d'instrumentation (120) elle-même traversant ledit couvercle (100) dudit réacteur, ledit détecteur (200) étant caractérisé en ce qu'il comporte un conduit extérieur creux (210) qui entoure un unique câble coaxial (240) formant des moyens de détection de neutrons, le diamètre externe dudit conduit extérieur creux (210) étant dimensionné de manière à être introduit à travers ledit dispositif d'étanchéité situé dans ladite lance d'instrumentation (120) traversant ledit couvercle (100) dudit réacteur nucléaire. 2. Détecteur de neutrons autoalimenté (200) d'un réacteur nucléaire à eau pressurisée selon la revendication précédente caractérisé en ce que ledit diamètre externe dudit conduit extérieur creux (210) est inférieur ou égal à 2 millimètres le long de son cheminement dans la cuve. 3. Détecteur de neutrons autoalimenté (200) d'un réacteur nucléaire à eau pressurisée selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le diamètre extérieur dudit conduit extérieur creux (210) est égal à 1,9mm au niveau de la pénétration du couvercle (100). 4. Détecteur de neutrons autoalimenté (200) d'un réacteur nucléaire à eau pressurisée selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit détecteur de neutrons est un détecteur de neutrons à réponse lente comportant un émetteur (220) au rhodium ou vanadium. 5. Détecteur de neutrons autoalimenté (200) d'un réacteur nucléaire à eau pressurisée selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ceque ledit détecteur de neutrons est un détecteur de neutrons à réponse rapide comportant un émetteur au cobalt ou au platine ou hafnium 6. Détecteur de neutrons autoalimenté (200) d'un réacteur nucléaire à eau pressurisée selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le conduit extérieur creux (210) est un conduit métallique non sensible aux phénomènes de corrosion sous contrainte dans l'eau primaire du réacteur. 7. Détecteur de neutrons autoalimenté (200) d'un réacteur nucléaire à eau pressurisée selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le conduit extérieur creux (210) est en acier inoxydable. 8. Détecteur de neutrons autoalimenté (200) d'un réacteur nucléaire à eau pressurisée selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le conduit extérieur (210) est une pièce monobloc et continue. 9. Détecteur de neutrons autoalimenté (200) d'un réacteur nucléaire à eau pressurisée selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le conduit extérieur comporte un bouchon (215) soudé à son extrémité. 10. Système d'instrumentation interne d'un réacteur nucléaire à eau pressurisée caractérisé en ce qu'il comporte au moins un détecteur de neutrons autoalimenté selon l'une des revendications 1 à 9. 11. Système d'instrumentation interne d'un réacteur nucléaire à eau pressurisée selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'il comporte au moins un thermocouple.30