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Auteur(s)
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Jean-Lucien MOURLEVAT : Adjoint du Chef du Département Performances Cœur à Framatome - ANP
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Lire l’articleINTRODUCTION
La conduite et la sûreté des réacteurs nucléaires, de quelque filière qu’ils soient, nécessitent de mesurer l’énergie fournie par les fissions des noyaux d’uranium 235, donc la puissance nucléaire.
Dans tous les cas, la mesure de cette puissance fait intervenir des mesures des rayonnements émis par le cœur du réacteur et plus particulièrement du flux de neutrons. Les paragraphes qui suivent vont donc décrire comment on mesure le flux de neutrons à l’intérieur du cœur, mais avant d’entrer dans une description détaillée, il convient de s’attarder sur une particularité fondamentale des réacteurs nucléaires.
Les lois de la physique neutronique veulent que la puissance ou le flux neutronique ne se répartissent pas de façon uniforme à l’intérieur du volume du réacteur. Il existe des endroits où la puissance est plus élevée qu’en d’autres, typiquement au centre du réacteur par comparaison à la périphérie. On parle alors de points chauds.
C’est bien sûr aux points chauds que la puissance fournie se rapproche le plus des limites de conception, voire de sûreté d’où l’obligation de connaître parfaitement la valeur de la puissance et donc de mesurer le flux neutronique en ces points. Ce phénomène de répartition non uniforme de la puissance doit être compris comme un phénomène physique se produisant au sein du réacteur dans tout son volume. On parle alors de distribution de puissance en trois dimensions ou plus simplement de distribution de puissance 3D. Il existe également un autre phénomène physique limitatif associé à la distribution de puissance mais plus particulièrement lié à la puissance moyenne de chaque crayon (intégrale de la puissance de chaque crayon suivant la direction axiale) plutôt qu’à la puissance locale, qui est l’apparition du phénomène de caléfaction. Ce phénomène, en créant un film de vapeur isolant qui réduirait l’échange thermique entre une partie du crayon combustible et le fluide primaire, pourrait provoquer, s’il se produisait, une augmentation de la température de la gaine entraînant une dégradation des propriétés mécaniques de celle-ci ainsi qu’une réaction d’hydruration de l’alliage métallique (Zircalloy) la constituant.
La distribution de puissance est un paramètre qui évolue dans le temps avec une constante de temps à court terme, liée essentiellement aux variations de puissance réalisées chaque jour par l’exploitant lors des opérations de conduite du réacteur, et une constante de temps à long terme dépendant de l’épuisement du combustible. Elle peut donc se distordre plus ou moins rapidement. Au cours de ces déformations, le ou les points chauds se déplacent dans le cœur et changent à la fois d’amplitude et de localisation.
L’instrumentation neutronique a pour fonction non seulement de mesurer le niveau de puissance mais aussi la distribution de puissance ou de flux neutronique en 3D et, en particulier, la valeur de la puissance locale fournie aux points chauds. Dans la suite de l’exposé, on assimilera, en première approximation, distribution de flux et distribution de puissance.
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Conclusions
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9. Développements et évolutions
9.1 Développement des thermomètres gamma
Ce développement a été effectué dans les années 1980 sous l’impulsion d’EDF. Une installation expérimentale comportant huit cannes a été testée sur une tranche 900 MWe pendant plusieurs cycles. Il n’a donné lieu à aucune application industrielle, mais présente un intérêt sur le plan des techniques d’instrumentation.
Le principe de base est une mesure de type calorimétrique. On utilise la propriété qu’a le rayonnement gamma de perdre une partie de son énergie dans les matériaux qu’il traverse. Cette énergie est transformée en chaleur et l’élévation de température est proportionnelle à l’énergie déposée. En l’absence de pertes calorifiques, le système se comporte comme un calorimètre adiabatique ; comme ce n’est pas le cas et si l’on suppose qu’il y a équilibre entre le flux de chaleur évacué et le flux incident, alors la différence de température entre le milieu ambiant et le matériau absorbeur est proportionnelle au débit de dose incident.
L’absorbeur est un barreau métallique dont une extrémité est fixée à un support dont la température T 1 est celle de l’eau du circuit primaire. Si T 2 est la température du barreau, l’écart de température T 2 – T 1 peut être mesuré par un thermocouple différentiel.
L’écart de température observé sur un REP est de l’ordre de quelques dizaines de degré Celsius. Il dépend de l’énergie déposée, de la longueur de l’absorbeur et de sa conductivité thermique.
L’énergie déposée elle, dépend du débit de dose gamma que l’on cherche à mesurer, d’un coefficient d’absorption des photons et de leur énergie.
Si l’on dispose plusieurs absorbeurs les uns au-dessus des autres dans une canne, ce qui revient à fabriquer un tube creux comportant axialement, à intervalles réguliers, plusieurs sections d’une épaisseur plus importante que celle du tube et au centre desquelles est disposé un thermocouple différentiel, il est possible de mesurer un profil axial d’échauffement, image du profil axial du flux gamma.
La précision de la mesure dépend essentiellement des pertes calorifiques qui sont inévitables. Comme il...
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1 Annexe – Description des traitements effectués
(Développement mathématique réalisé par Gérard RIO, Département Développement Technique Procédé à Framatome - ANP)
HAUT DE PAGE1.1 Calcul de la distribution de puissance théorique
On a vu précédemment que l’on avait besoin de comparer la puissance (activité) mesurée et la puissance (activité) calculée dans les assemblages instrumentés.
Le signal issu de la mesure par les détecteurs à fission étant proportionnel à un taux de fission dans la partie sensible de la sonde, il est nécessaire que les modèles théoriques utilisés puissent calculer la même information physique. Il faut également que cette information ait le même degré de finesse au point de vue de la discrétisation spatiale.
Le taux de fission ou activité dans le détecteur est donné par la relation :
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