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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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Systèmes d’instrumentation interne chez d’autres constructeurs
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7. Places du système RIC dans les spécifications d’exploitation
7.1 Exigences relatives à l’exécution de cartes de flux
L’exécution d’une carte de flux est requise dans trois cas essentiellement.
Le premier est la nécessité de vérifier la conformité du cœur par rapport aux calculs prévisionnels de conception. À ce titre, des cartes de flux complètes sont réalisées lors des essais physiques de redémarrage après redivergence (essais à caractère neutronique) puis, chaque mois, en cours de cycle.
Deux points attirent particulièrement l’attention : la vérification d’une absence d’erreur de chargement faite par une carte de flux relevée à 8 % PN et celle de l’évolution des facteurs de points chauds du cœur en fonction de l’épuisement, faite par une série de cartes de flux exécutées tous les mois à puissance nominale.
Le deuxième est le calibrage de l’instrumentation externe en distribution de puissance c’est-à-dire la détermination des coefficients des matrices de sensibilité et de transfert de chaque chaîne RPN niveau puissance.
Pour ce faire, il est nécessaire de générer dans le cœur plusieurs distributions axiales de puissance. Le plus simple est alors de lancer une oscillation axiale de xénon par une légère insertion d’un groupe de grappes de contrôle (compensée par une dilution du bore de l’eau du circuit primaire pour rester à puissance constante). Ce procédé est le seul qui permette de faire varier la composante axiale de la distribution de puissance sans perturber la composante radiale qui a un effet sur les chambres externes. Le cœur est donc volontairement placé dans des conditions d’instabilité. Des cartes de flux partielles sont effectuées périodiquement pour obtenir un échantillon représentatif de formes axiales (environ une dizaine). Seules des cartes de flux partielles sont réalisables puisque le cœur est en évolution xénon.
L’exécution de cartes de flux est également requise en cas d’alarmes de déséquilibre azimutal de puissance générée par le système RPN ou en cas de fonctionnement dégradé de ce système. Dans le premier cas, il faut lever le doute entre un problème physique affectant la distribution de puissance et un défaut matériel affectant les chambres externes. Dans le deuxième, l’indisponibilité d’une chambre empêche le système RPN d’accomplir sa fonction de surveillance de la distribution azimutale de puissance.
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Places du système RIC dans les spécifications d’exploitation
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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