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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie nucléaire BN 3 452 − 1 Instrumentation interne des réacteurs par Jean-Lucien MOURLEVAT Adjoint du Chef du Département Performances Cœur à Framatome - ANP 1. Fonctionnement des REP. Rappel......................................................... BN 3 452 - 2 1.1 Instrumentation interne des REP ................................................................ — 2 1.2 Dynamique de variation du ﬂux neutronique............................................ — 3 1.3 Notions de distribution de puissance......................................................... — 3 2. Exigences fonctionnelles associées à l’instrumentation des REP — 4 2.1 Fonctions de l’instrumentation neutronique ............................................. — 4 2.2 Exigences associées au système d’instrumentation de référence........... — 5 2.3 Exigences associées à l’instrumentation temps réel ................................ — 7 2.4 Bases de conception des matériels associés au système d’instrumentation de référence .............................................. — 7 2.5 Exigences de sûreté. Classement ............................................................... — 7 3. Description des matériels ...................................................................... — 8 3.1 Architecture générale et implantation géographique............................... — 8 3.2 Mesures de ﬂux............................................................................................ — 8 3.3 Mesures de température ............................................................................. — 13 4. Conﬁgurations et fonctionnement du système ............................... — 14 4.1 Premier montage des doigts de gant ......................................................... — 14 4.2 Réalisation d’une carte de ﬂux.................................................................... — 14 4.3 Retrait des doigts de gant au déchargement............................................. — 15 4.4 Extraction d’un doigt de gant...................................................................... — 15 5. Exploitation de la mesure ...................................................................... — 15 5.1 Notions de carte de ﬂux............................................................................... — 15 5.2 Nécessité des passes d’intercalibration ..................................................... — 16 5.3 Rôle du calculateur de tranche KIT............................................................. — 16 5.4 Traitement des mesures de ﬂux.................................................................. — 16 5.5 Résultats ﬁnaux............................................................................................ — 20 5.6 Traitement des mesures de température ................................................... — 20 6. Essais périodiques associés au système............................................ — 20 7. Places du système RIC dans les spéciﬁcations d’exploitation.... — 20 7.1 Exigences relatives à l’exécution de cartes de ﬂux................................... — 20 7.2 Indisponibilités du système RIC.................................................................. — 20 8. Systèmes d’instrumentation interne chez d’autres constructeurs — 21 8.1 Système Aeroball de Siemens.................................................................... — 21 8.2 Système Fixed Incore de Babcock et Wilcox ............................................. — 23 8.3 Autres constructeurs.................................................................................... — 25 9. Développements et évolutions............................................................. — 26 9.1 Développement des thermomètres gamma.............................................. — 26 9.2 Développement de collectrons chemisés .................................................. — 26 9.3 Expérimentation de collectrons rhodium sur un REP français................. — 27 9.4 Évolution vers un système de surveillance des conditions préaccidentelles............................................................................................ — 27 9.5 Système retenu pour le réacteur franco-allemand EPR............................ — 27 10. Conclusions................................................................................................ — 27 Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. BN 3 452 INSTRUMENTATION INTERNE DES RÉACTEURS ______________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. BN 3 452 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie nucléaire a 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 fondamen- tale des réacteurs nucléaires. Les lois de la physique neutronique veulent que la puissance ou le ﬂux neu- tronique 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 réac- teur dans tout son volume. On parle alors de distribution de puissance en trois dimensions ou plus simplement de distribution de puissance 3D. Il existe éga- lement un autre phénomène physique limitatif associé à la distribution de puis- sance 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 ther- mique 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 neutro- nique 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. L 1. Fonctionnement des REP. Rappel 1.1 Instrumentation interne des REP La mesure d’un ﬂux de neutrons, donc de particules non char- gées, 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 (sec- tion 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 cen- trales nucléaires avaient acquis à cette époque. _____________________________________________________________________________________________ INSTRUMENTATION INTERNE DES RÉACTEURS Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie nucléaire BN 3 452 − 3 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 éle- vée, et doué d’une durée de vie d’au moins quatre à cinq ans per- mettant 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’instrumen- tation 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 du système de mesure interne est constituée par les dispositifs de mise en mouvement des détecteurs. Le fait que les capteurs soient mobiles entraîne aussi quelques difﬁcultés technologiques supplémentaires au niveau du transport du signal électrique. Aﬁn d’éviter une usure trop importante des pièces mobiles, on évite de faire fonctionner un tel système de manière continue. Les campagnes de mesures vont être séparées par des périodes d’arrêt plus ou moins longues pendant lesquelles les détecteurs sont stockés dans une position de repos à l’extérieur de la cuve. Le sys- tème d’instrumentation interne mobile est un système qui fonc- tionne à la demande, par conséquent, il ne peut pas être utilisé pour effectuer une surveillance continue du cœur et, a fortiori, pour assurer des fonctions de protection du réacteur. Pour atténuer les conséquences d’une mesure intermittente par « campagnes individuelles », des thermocouples ont été installés à position ﬁxe à la sortie du cœur. La température mesurée est une indication de la puissance moyenne fournie par l’assemblage au-dessus duquel se situe un thermocouple. La distribution de température en sortie des assemblages représente bien la composante horizontale en (x, uploads/Ingenierie_Lourd/ bn-3452.pdf