Article de référence | Réf : IN113 v1

Méthodes et principe des mesures
Caractérisation d'un gaz confiné à l'aide d'un capteur acoustique - Application aux crayons combustibles nucléaires

Auteur(s) : Eric Rosenkrantz, Jean-Yves Ferrandis, Gérard Lévêque, Daniel Baron

Date de publication : 10 janv. 2010

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RÉSUMÉ

Dans les centrales nucléaires, le combustible est stocké dans des tubes hermétiques appelés crayons combustibles. Les éléments radioactifs confinés libèrent au fur et à mesure de leur activité un mélange d’hélium et de xénon. À ce jour, il n’existe aucun contrôle non destructif pour suivre l’évolution de la production de ces gaz de fission. Cet article présente un dispositif acoustique innovant qui permet de mesurer leur pression et leur composition, de détecter le crayon défectueux et d’aider à la prise de décision du rechargement d’un assemblage. Cet outil peut également aider à une meilleure évaluation des marges vis-à-vis du critère de sûreté correspondant.

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ABSTRACT

Characterization of a confined gaz by means of an acoustic sensor - Application to nuclear fuel rods

In nuclear power plants, the fuel is stored in sealed tubes named fuel rods. During their activity, the confined radioactive elements release a mixture of helium and xenon. To date, there exists no non-destructive testing in order to monitor the evolution of the production of these fission gases. This article presents an innovative acoustic device for measuring their pressure and composition, detecting a faulty rod and decision making concerning the reloading of a reactor. In addition, this tool is able to provide a better assessment of margins according to safety criteria.

Auteur(s)

  • Eric Rosenkrantz

  • Jean-Yves Ferrandis

  • Gérard Lévêque

  • Daniel Baron

INTRODUCTION

La consommation d'électricité dans le monde ne cesse de croître. En France, environ 80 % de l'électricité est produite à partir de l'énergie nucléaire. Dans les centrales, le combustible nucléaire est conditionné dans des tubes hermétiques, les crayons combustibles. En confinant les éléments radioactifs, les crayons constituent la première barrière biologique vis-à-vis de l'environnement. Au fur et à mesure de son activité de désintégration, après plusieurs cycles en centrale, l'uranium produit dans le tube qui le contient des gaz, essentiellement de l'hélium et du xénon. Un meilleur suivi du relâchement (mesure de la pression et de la composition) des gaz de fission pourrait permettre une optimisation de la durée d'utilisation des crayons en centrale. À ce jour, les seuls contrôles effectués sont destructifs : les crayons sont extraits des centrales, puis percés et les gaz analysés. Une mesure non destructive in situ des propriétés de ces gaz constituerait une avancée considérable dans le contrôle de la gestion des centrales.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-in113


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2. Méthodes et principe des mesures

Un capteur acoustique en forme de tuile est placé sur le crayon combustible au niveau du plenum (figure 4). Il doit être suffisamment petit pour passer entre les crayons de l'assemblage et doit fonctionner en présence d'eau car les mesures sont réalisées en piscine. En effet, lors du déchargement des assemblages, la cuve du réacteur est noyée (figure 1) et tous les assemblages sont transférés dans la piscine du bâtiment combustible (figure 2).

Le capteur génère une onde acoustique radiale qui excite le tube et le gaz. Ce capteur est constitué d'une céramique piézoélectrique (PZT), d'une couche de couplage (figure 4) et d'un dos. Expérimentalement, nous mesurons l'impédance électrique aux bornes du transducteur piézoélectrique. L'impédance électrique dépend principalement de l'impédance acoustique du système vue par la face interne du transducteur. Les mesures, dites « spectroscopiques », sont réalisées à l'aide d'une détection synchrone. Une autre possibilité est de travailler en régime impulsionnel, pour des mesures dites « échographiques », la tension aux bornes du transducteur étant acquise sur un oscilloscope (figure 5).

Sous l'action du transducteur ultrasonore, l'ensemble capteur et tube va rentrer en vibration (figure 6). Les modes de résonance de cette structure résultent du couplage entre les résonances du tube et du gaz. L'analyse modale d'une structure peut se faire à partir de l'impédance acoustique. L'impédance acoustique est définie comme le rapport de la pression acoustique p par la vitesse v des particules du fluide  :

...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - HANNUM (W.) et al -   Réacteur à neutrons rapides contre déchets nucléaires.  -  Pour la science, p. 32-39, janv. 2006.

  • (2) - BELAUD (S.) -   Énergie nucléaire : le nouvel élan.  -  Le journal du CNRS, (195), p. 19-27, avr. 2006.

  • (3) - OLANDER (D.R.) -   Fundamental aspects of nuclear fuel elements, chapter 15, TID-26711-P1.  -  US Dept of Energy (1976).

  • (4) - THEVENIN (R.M.-P.), BARON (D.), PETITPREZ (B.), PLANCQ (D.) -   *  -  CYRANO3 : the industrial PLEIADES fuel performance code for EDF PWR studies.

  • (5) - BARON (D.) et al -   CYRANO 3 the EDF fuel performance code especially designed for enginneering applications.  -  In Water reactor fuel performance meeting proceeding, Seoul (2008).

  • (6) - JOHNSON (K.O.), COFFMAN (F.M.) -   Leak detector probe for fuel rods.  -  Patent...

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