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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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Développements et évolutions
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8. Systèmes d’instrumentation interne chez d’autres constructeurs
Les systèmes d’instrumentation internes qui sont présentés ci-dessous sont des systèmes de référence chargés de mesurer, de façon intermittente, la distribution de puissance en 3D dans le cœur avec la précision optimale. À ce titre, ils sont donc directement comparables au système RIC français sur le plan fonctionnel.
On retiendra deux solutions ayant valeur d’exemples représentatifs dans leur domaine respectif, l’une existant dans les réacteurs allemands construits par la Société Siemens et l’autre installée dans les réacteurs construits par la Société Babcock et Wilcox aux États‐Unis.
8.1 Système Aeroball de Siemens
Ce système est en fait dérivé du premier système d’instrumentation interne mis au point par la Société américaine Westinghouse dont Siemens fut licencié au début des années 1970. Un tel système a également existé sur la première centrale construite par Framatome, la centrale franco‐belge des Ardennes, SENA, qui a divergé en avril 1967 puis fut arrêtée en 1992. La Société Siemens a apporté diverses améliorations essentiellement sur le plan mécanique pour en améliorer la fiabilité.
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Le système Aeroball est un système d’instrumentation mettant en jeu des pièces mobiles constituées par des trains de billes en acier. Ces trains de billes qui circulent dans des conduits, pénètrent dans la cuve par le couvercle. Les trains de billes sont mus par de l’azote comprimé.
La mesure de flux repose sur l’activation des billes lorsqu’elles sont placées sous flux de neutrons ; le comptage de l’activité de celles‐ci se fait au moyen de détecteurs fixes placés sur des râteliers situés à l’extérieur de la cuve mais dans le bâtiment réacteur.
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Les billes sont faites en alliage d’acier avec 1,5 % de vanadium ; leur diamètre est de 1,7 mm....
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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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