PROCEDE DE MESURE DE PUISSANCE D'UN CORPS EMETTEUR DE CHALEUR

DESCRIPTION

L'invention a trait à un procédé de mesure de puissance d'un corps émetteur de chaleur, qui peut notamment convenir à la mesure de la puissance résiduelle d'un crayon de combustible nucléaire.

Une application principalement envisagée pour l'invention est le domaine nucléaire et en particulier le retraitement et le stockage des combustibles usés. Après l'arrêt de la réaction en chaîne dans un réacteur nucléaire, le combustible irradié continue à dégager de la puissance radioactive appelée puissance résiduelle et qu'il faut estimer afin de définir les conditions de stockage, de transport ou de retraitement du combustible.

Le rayonnement résiduel peut être estimé par spectroscopie ou par calorimétrie en mesurant 1 ' échauffement d'un écran frappé par le rayonnement et qui l'absorbe. Les mesures peuvent être de durées très variables, entre quelques minutes et quelques jours, ou même quelques mois.

Les dispositifs et procédés connus manifestent une certaine imprécision, de l'ordre d'au moins 3% du résultat, et qu'on peut attribuer aux pertes thermiques des calorimètres et à l'instabilité de la référence de température pendant une longue durée. L'objet de l'invention est d'améliorer la précision de la mesure pour la rendre égale à environ

1% de la puissance résiduelle (dans des conditions de mesure comparables) , pour des périodes de temps de mesure comprises par exemple entre 20 minutes et deux mois à partir de l'arrêt de l'irradiation et pour une évolution d'une puissance comprise entre 300 W et 3 W. Cela est obtenu par une meilleure maîtrise du bilan thermique .

Sous sa forme la plus générale, l'invention est relative à un procédé de mesure de puissance d'un corps émetteur de chaleur, comprenant les étapes suivantes :

-enfermer le corps émetteur dans une enceinte comprenant un vase absorbant le rayonnement, une enveloppe isolante thermique entourant le vase de façon adjacente, le corps étant placé dans un creux du vase, et des moyens de mesure de température placés à une jonction du vase et de l'enveloppe, mesurer la température des moyens de mesure, - déduire la puissance de la température mesurée, caractérisé en ce que la puissance est déduite par une formule comprenant un premier terme proportionnel à la température et un deuxième terme proportionnel à une variation temporelle de la température, la formule comprenant un coefficient B de proportionnalité du premier terme et un coefficient A de proportionnalité du deuxième terme, les coefficients étant calculés au cours d'un étalonnage, le coefficient B pendant des périodes où l'enceinte est soumise à un palier à puissance constante et connue émise du creux

du vase, et le coefficient A pendant des périodes de refroidissement consécutives à des interruptions

brusques du palier de puissance, par A=-BB / — , où dt θ est une température mesurée pendant le palier de puissance.

L'art antérieur (par exemple FR-A- 2 516 237) indique certes que la puissance rayonnée dépend à la fois de la température et d'une variation de la température, mais sans indiquer de façon concrète d'exploiter les deux termes. Les formules données dans ces documents sont exprimés en fonction des propriétés des différents éléments du système (masse, conductivité, etc.) qu'il est impossible de mesurer toutes avec une précision excellente, ce qui conduit à l'incertitude relativement élevée indiquée plus haut ; le procédé de FR-A-2 516 237 néglige d'ailleurs le terme proportionnel à la variation de température en préconisant d'attendre la stabilisation pour effectuer la mesure. Aucune façon d'élaborer le coefficient de ce terme n'est d'ailleurs donnée.

En corrélant la puissance émise par le combustible et dissipée en chaleur essentiellement dans le vase, puis retirée par le réfrigérant maintenu à une température constante, à 1 ' échauffement du vase on obtient seulement une précision moyenne, représentative de l'art connu ; mais l'addition du terme exprimant la variation temporelle de la température est de nature à apporter la meilleure précision qu'on souhaite dans le résultat estimé.

D'autres aspects de l'invention seront maintenant décrits au moyen des figures, parmi lesquelles : la figure 1 est une vue générale de l'appareil de mesure,

- la figure 2 illustre le vase enclosant le corps émetteur, et la figure 3 illustre un dispositif d' étalonnage . Le dispositif par lequel le procédé est mis en œuvre, représenté à la figure 1, est un fluxmètre dont un premier élément est un vase 1 conducteur de chaleur, en tungstène dans cette réalisation (mais le cuivre et l'aluminium pourraient convenir aussi), muni d'un creux 2 dans lequel le corps émetteur du rayonnement (un crayon 30 de combustible nucléaire) est placé. Il est avantageux pour améliorer la précision de la mesure que le creux 2 soit ajusté aux dimensions extérieures du corps émetteur avec un faible jeu. Dans le cas de mesures sur des crayons de combustible nucléaire qu'on développe ici, le vase 1 est un tube allongé clos aux extrémités.

La conductivité du vase 1 est suffisamment forte, par rapport à ses dimensions pour qu'on puisse supposer que la température y est uniforme. Cette caractéristique est obtenue en respectant un nombre de Biot inférieur à 0,1. Il faut toutefois aussi que la puissance émise par le crayon 30 s'y dissipe presque complètement, ce qui impose aussi une épaisseur minimale pour absorber le rayonnement gamma, le plus pénétrant .

Le vase 1 est entouré par une enveloppe isolante 3 à la chaleur, en fibres de silice dans cette réalisation, également tubulaire, et séparée de lui par un jeu très faible ou nul. L'enveloppe isolante 3 comprend deux chambres 4 et 5 séparées, annulaires et concentriques de circulation d'eau de réfrigération. Les chambres 4 et 5 sont reliées à un circuit de réfrigération unitaire extérieur au fluxmètre et qui se divise seulement en arrivant aux chambres 4 et 5. Il comprend des dispositifs usuels pour maintenir les conditions d'écoulement et l'uniformité de température et, notamment, une pompe 6 et une source froide 7 sur une canalisation 8. Le liquide de refroidissement passe par l'une ou l'autre des chambres 4 et 5 d'après la puissance émise et le gradient de température à établir pour une évacuation suffisante de chaleur : la chambre intérieure 4 est mise en service pour la réfrigération aux fortes puissances émises, la chambre extérieure 5 aux faibles puissances. Le circuit comprend alors une bouteille d'air ou d'azote comprimé 32 et des canalisations d'entrée et de sortie de gaz 33 et 34 dans les chambres 4 et 5 et hors d'elles. Des vannes 35 et 36 sont conçues pour brancher l'une des chambres 4 et 5 au choix à la canalisation 8 d'eau du circuit, l'autre aux canalisations d'entrée et de sortie de gaz 33 et 34, et pour procéder aux commutations. L'utilisation des deux chambres 4 et 5 détermine ainsi deux plages de mesure différentes, améliorant là encore la précision de l'ensemble. Le fluxmètre comprend encore deux bouchons

9 et 10 d'extrémité dont chacun comprend un tube 11

épais en verre cellulaire s ' appuyant sur l'enveloppe isolante 3 et séparé du vase 1 par un tube de centrage 12. L'enveloppe isolante 3 est plus courte que le vase 1, de sorte que les extrémités du crayon ne sont pas placées devant elle, mais cela n'introduit pas d'irrégularité puisque le combustible n'est pas présent à ces extrémités. Les bouchons 9 et 10 comprennent encore un bloc 13, aussi en verre cellulaire, venant en face des bouts du vase 1 et séparé du tube 11 par un autre tube de centrage 14. Le verre cellulaire est choisi pour ses propriétés d'isolation thermique qui réduisent les fuites et pour sa bonne résistance mécanique qui fait des bouchons 9 et 10 de bons supports du fluxmètre. Un des bouchons 10 est affecté au passage du crayon 30 de combustible dans le creux 2 du vase 1 : une partie de ce bouchon 10, comprenant notamment le bloc 13, est amovible en retirant un couvercle 15. Une tape 16 fermant l'extrémité en regard du vase 1 et unie au bloc 13 est alors retirée elle aussi, ce qui ouvre le creux 2.

L'ensemble du fluxmètre est entouré par une enceinte extérieure 17.

On passe à la figure 2. Les thermocouples par lesquels les températures sont mesurées, et qui sont reliés à une installation extérieure non représentée, sont ici au nombre de seize et répartis dans le fluxmètre, mais un seul pourrait éventuellement suffire. Huit d'entre eux sont implantés à l'extérieur du vase 1 et plus précisément dans des rainures 23 axiales à sa périphérie : quatre (référencés par 20) à mi-longueur du vase 1 et à 90° l'un de l'autre, deux

autres (référencés par 21) décalés de 10 millimètres dans deux des rainures 23 et diamétralement opposés, et les deux derniers (référencés par 22) à des extrémités respectives du vase 1, à 90° des précédents et dans les autres rainures 23. Chacune des quatre rainures 23 contient donc deux thermocouples 20 et leurs deux fils 19.

Quatre autres thermocouples 24 sont insérés dans la surface externe de la chambre 4 située à l'intérieur, dans le plan médian du dispositif et à 90° l'un de l'autre, devant les thermocouples 20. Les quatre derniers thermocouples 25 sont insérés à la surface interne de la chambre 5 située à l'extérieur, encore devant les thermocouples 20. L'enveloppe isolante 3 est aussi munie de rainures axiales analogues aux rainures 23 pour le passage des fils de ces thermocouples supplémentaires. Les thermocouples 20, 21 et 22 donnent la température du vase 1 et sont essentiels à la mesure, alors que les thermocouples 24 et 25 surveillent l'uniformité de température du liquide réfrigérant et permettent de vérifier si le réfrigérant est une source froide efficace, en s 'assurant que la face extérieure de l'enveloppe isolante 3 est bien à sa température. Le dispositif comprend encore des sondes à résistance de platine non représentées, à l'entrée, à la sortie et à mi-longueur des chambres 4 et 5, à la surface externe de la chambre interne et à la surface interne de la chambre externe. Ces sondes servent à mesurer la température de l'eau afin d'appliquer un asservissement à la source froide 7.

Ce dispositif permet d'exprimer la puissance du crayon 30 de combustible nucléaire contenu dans le creux 2 par la formule W(t) = A dθ/dt + B θ, où W désigne la puissance rayonnée par le crayon 30, θ la température du vase 1 mesurée par les thermocouples 20, 21 et 22, et A et B sont des coefficients exprimant la capacité calorifique globale du dispositif et la fuite thermique du dispositif.

Les coefficients A et B sont déterminés de façon purement expérimentale par un étalonnage préliminaire, comprenant des paliers successifs à puissance constante alternant avec des variations de puissance, consistant avantageusement en un arrêt brusque impliquant un refroidissement. La chute de la température en fonction du temps est alors inversement exponentielle, de sorte que la pente du signal à l'origine donne la valeur de A par la formule appliquée

W = O = A +Bθ, soit A = - Bθ/ — . La valeur du dt dt coefficient B a été calculée au palier précédent par W

W = 0 + Bθ soit B = -. Les coefficients A et B variant θ normalement avec la température, ces étalonnages doivent être répétés à des températures dans toute la plage de mesure.

L'étalonnage s'effectue avec un crayon chauffant 26 représenté à la figure 3 et qui peut être placé dans le creux à la place du crayon 30 de combustible, dont il a les mêmes dimensions. Il est relié à une source de chauffage variable 27 par un fil 28. L ' échauffement y est produit par un bobinage

comprenant une partie plus résistante 37 au centre, ce qui correspond au lieu de présence du combustible dans le crayon 30, et une partie 38 plus conductrice en cuivre à l'extrémité menant au fil 28, où la dissipation de chaleur est beaucoup plus réduite : une répartition d'émission de chaleur analogue à celle du crayon 30 est ainsi réalisée le long du crayon chauffant 26. Les conditions d'étalonnage sont proches de celles qui seront présentées par la suite. Les paliers de puissance peuvent être compris entre quelques centaines de watts et quelques watts, la température de l'eau de réfrigération est maintenue constante à une valeur qui sera la même que pour les mesures ultérieures. La température environnante autour du fluxmètre sera aussi si possible maintenue constante .