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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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2. Exigences fonctionnelles associées à l’instrumentation des REP
2.1 Fonctions de l’instrumentation neutronique
L’instrumentation nucléaire a deux objectifs qu’elle doit remplir simultanément :
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le premier est de mesurer le niveau de puissance en absolu ce qui revient à mesurer le flux neutronique global. En général, l’unité est la fraction de puissance nominale ou % PN ;
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le deuxième est, comme on vient de le voir, la mesure de la distribution de puissance (ou de flux) en 3D à l’intérieur du réacteur. Elle est exprimée en valeur relative c’est-à-dire avec un nombre sans dimension.
À ces deux types de mesures sont associées des exigences en précision et temps de réponse suivant l’utilisation qui est faite du signal correspondant.
on conçoit que pour une utilisation du signal dans le système de protection chargé de faire chuter le plus rapidement possible les grappes de contrôle pour réduire la puissance en cas d’accident, les exigences en temps de réponse soient très contraignantes. On conçoit également que pour piloter le réacteur, l’opérateur ait besoin d’une mesure du niveau de puissance aussi précise que possible, car un pour-cent d’incertitude oblige à fonctionner un pour-cent en dessous de la puissance maximale autorisée ce qui entraîne un manque à gagner au niveau de la puissance produite.
Lors de la conception originelle des réacteurs de type REP, on s’est rendu compte qu’il était très difficile, compte tenu des difficultés technologiques que représente la mesure du flux neutronique à l’intérieur du réacteur, de mesurer par le même système le niveau absolu et la distribution de la puissance, tout en respectant les exigences de précision et de temps de réponse souhaitées.
Il a paru plus simple de séparer les fonctions en faisant appel à deux systèmes d’instrumentation :
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l’un serait conçu et optimisé pour mesurer avec une très bonne précision et un « moins bon » temps de réponse la distribution de puissance en trois dimensions ;
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l’autre serait chargé de mesurer la distribution de puissance et le niveau de puissance avec un très bon temps de réponse et une « moins bonne » précision.
C’est pourquoi un système interne, mesurant le flux neutronique à l’intérieur...
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Exigences fonctionnelles associées à l’instrumentation des REP
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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