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En anglais
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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Exigences fonctionnelles associées à l’instrumentation des REP
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1. Fonctionnement des REP. Rappel
1.1 Instrumentation interne des REP
La mesure d’un flux de neutrons, donc de particules non chargées, fait toujours intervenir, une interaction neutron/matière qui, elle, va créer des particules susceptibles de produire un courant électrique mesurable. Après chaque absorption d’un neutron, les atomes de cette matière sensible vont se transformer et n’existent plus en tant que tels.
La matière choisie pour subir cette interaction va se consommer et disparaître à une vitesse qui est fonction de l’intensité du flux neutronique et de la probabilité d’occurrence de la réaction (section efficace d’absorption). Plus cette probabilité sera élevée et plus le courant fourni sera fort mais, en contrepartie, plus la matière sensible va disparaître vite ce qui, à terme, nécessitera de remplacer le capteur très rapidement.
Le problème de l’épuisement de la matière sensible se pose de manière cruciale pour un capteur neutronique situé à l’intérieur du cœur, région dans laquelle le flux est très élevé, de l’ordre de 1014 n · cm–2 · s–1.
La conception des systèmes d’instrumentation interne que nous connaissons aujourd’hui, date de la fin des années soixante : elle reflète le savoir-faire et l’expérience que les constructeurs de centrales nucléaires avaient acquis à cette époque.
Il était très difficile, il y a une trentaine d’années, de trouver un capteur neutronique capable de fournir un courant mesurable dans des conditions industrielles, donc délivrant une intensité plutôt élevée, et doué d’une durée de vie d’au moins quatre à cinq ans permettant d’éviter des opérations de remplacement trop fréquentes.
Une autre contrainte à prendre en compte, plus mécanique celle-là, est liée à la température moyenne de fonctionnement proche de 300 oC.
Comme la plupart des constructeurs, Framatome - ANP a choisi de ne pas laisser à demeure les capteurs en position de mesure dans le cœur et d’envoyer ceux-ci dans le réacteur uniquement quand on a besoin de faire des relevés. C’est pourquoi l’instrumentation interne est dite « mobile ». Les capteurs ont donc à effectuer des trajets de longueur non négligeable entre leur lieu de stockage hors de la cuve et leur emplacement de mesure dans le cœur. Une partie importante...
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Fonctionnement des REP. Rappel
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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