Evolution et situation du contrôle des réacteurs nucléaires

Internationale Fachmesse für die kerntechnische Industrie

nuclex 72

C H-4021 Basel/Schweiz Telephon 061-32 38 50 Telex 62 685 fairs basel

Foire internationale des industries nucléaires

International Nuclear

Industries Fair 16-21 October 1972

Basel/Switzerland

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Séance Technique No. 10/2

Evolution et situation du contrôle des réacteurs nucléaires

R. Arnaud Merlin-Gérin

On rappelle d'abord les principes qui ont été à l'origine de l'ins- trumentation nucléaire française actuelle, dont la conception et la réalisation résultent de la collaboration étroite entre le CEA et l'industrie.

On donne ensuite les progrès accomplis depuis la création de ce matériel en matière de performance, d'économie et de commodité d'emploi (performance des chaînes impulsions sans préamplifica- teurs, chaîne linéaire et logarithmique, chaîne à fluctuations, etc . . . )

Enfin, on évoque les adaptations rendues nécessaires pour ce

matériel afin de l'adapter au récent programme français en matière de construction de centrales nucléaires.

The author first recalls the principles from which the present French Nuclear Instrumentation has originated, the design and construction having resulted from a close cooperation between the French Commissariat à l'Energie Atomique (CEA) and industry.

Then, he states the progress made in the fields of performances, economy and easy application (performance of sets associated with pulse detectors without preamplifiers, linear and logaritmic

sets, fluctuation sets, etc . . . )

Lastly, he mentions the adaptation necessary to make the

instrumentation suited to the recent French programm relative to the Construction of Nuclear power-stations.

Es wind zuerst an die Prinzipien erinnert, die zu der heutigen französischen Reaktorinstrumentierung geführt haben. Das konzept und der Bau ergaben sich aus einer engen Zusammenarbeit von

CEA und Industrie.

Anschliessend wind der Fortschritt geschildert, der seit den Prototypen in puncto leistung, Wirtschaftlichkeit und Bedie-

nungskomfort erreicht wurde (Leistungen der Impulsëlektronik ohne Vorverstärker, lineare und logarithmische Elektronik,

Fluktuations elektronik usw).

Letzlich werden die Änderungen erläutert, die zur Anpassung an das neueste französische Leistungreaktorbauprogramm notwendig waren.

1

1. Introduction

2. L'instrumentation nucléaire française

pour le contrôle neutronique des réacteurs 3. Régulation et automatismes

4. Adaptation aux nouvelles filières se développant en France

5. Conclusion

1. INTRODUCTION

Malgré le titre donné à notre exposé, il n'est pas dans nos intentions de rappeler l'évolution du matériel de contrôle de réacteur depuis les temps héroïques des électroniques à tubes.

Notre exposé présenterait peut-être un certain intérêt

historique mais consacrerait trop peu de temps à l'actualité qui nous paraît beaucoup plus intéressante.

Nous nous bornerons donc à parler du matériel existant aujourd'hui en France en rappelant les motivations de sa conception ainsi que son évolution technique et technologique depuis sa création.

Encore mettrons-nous l'accent essentiellement sur l'instrumen- tation nucléaire : nous effleurerons seulement l'instrumentation

classique et les automatismes qui ne nous paraissent pas appartenir spécifiquement au domaine nucléaire.

Enfin, comme le programme nucléaire français s'est orienté depuis trois ans vers les filières à eau légère en attendant le développement des sur ré générateurs annoncé pour les années 80 et, peut-être, entre temps, celui des réacteurs à haute tempé- rature, il nous a paru intéressant de dire un mot sur les

problèmes que peut poser cette nouvelle orientation dans le domaine du contrôle des réacteurs français.

2. L'INSTRUMENTATION NUCLEAIRE FRANÇAISE

POUR LE CONTROLE NEUTRONIQUE DES REACTEURS

Le matériel d'instrumentation nucléaire existant actuellement en . France et répondant à l'appellation générale de matériel

Multibloc a été industrialisé il y a un peu plus de 5 ans par Merlin Gerin à partir d'une étude approfondie du C. E. A. '

Néanmoins ce matériel reste à notre avis tout à fait d'actualité en raison d'une part de sa conception originale pour l'époque, de l'évolution tant technique que technologique dont il a

bénéficié depuis sa création.

Conception Technologie

Sur le plan technologique, le matériel d'instrumentation nucléaire

"Multibloc" a été conçu afin de répondre à l'impératif essentiel, pour un matériel de contrôle de réacteur qui est la fiabilité.

Ce souci a conduit dès l'origine :

- à exclure tout tube électronique (y compris les tubes électro- mètres) au profit de semi-conducteurs au silicium

- à n'utiliser que les raccordements par soudures pour l'inter- connexion des différents circuits fonctionnels constituant une voie de mesure : ce procédé est apparu en effet plus fiable que le procédé par embrochage. Il n'est pas contraire à l'impératif d'interchangeabilité rapide, celle-ci se faisant au niveau d'une voie de mesure complète ce qui correspond aux conditions

réelles de maintenance et de dépannage.

Le souci de fiabilité a également conduit, dès l'origine, à concevoir une présentation mécanique permettant un montage direct des sous-ensembles électroniques dans une armoire, les câbles de liaison vers le détecteur et l'utilisation se raccordant directement sur le sous ensemble.

Ce procédé évite les connexions en série et les contraintes mécaniques sur les câbles qu'entraîne le montage classique en châssis.

Enfin, la conception technologique du matériel a tenu compte du souci d'immuniser au maximum les circuits électroniques contre les parasites, source de dégradation de la fiabilité.

Pour cela, les blindages ont été soigneusement conçus, tant au niveau des circuits électroniques qu'au niveau des câbles et de leurs raccordements : circuits imprimés à large surface de cuivre, connexions de blindage par tresse de cuivre, câble à triple écran, connecteurs à contacts de masse dorés etc . . .

Technique

Sur le plan technique, l'innovation essentielle apportée par le matériel Multibloc réside dans la suppression totale de tout préamplificateur.

Pour l'instrumentation à courant continu, le niveau relative- ment élevé du signal le plus faible (10"" A) permet de

s'affranchir assez facilement d'un préamplificateur moyennant les précautions énumérées précédemment en matière

d'immunisation aux parasites.

Par contre, pour l'instrumentation associée à des détecteurs impulsionnels (chambre à fission ou compteur à dépôt de bore) la suppression du préamplificateur a conduit à abandonner la solution classique du préamplificateur de charge au profit d'un amplifica- teur de courant, qui par sa basse impédance d'entrée, permet une liaison directe, sur une grande longueur, avec le détecteur.

Enfin, parmi les perfectionnements techniques apportés par ce matériel nous citerons également le périodemètre à constante de temps variable réalisant le meilleur compromis entre le temps de réponse et le bruit en sortie.

Evolution technologique

Depuis sa création, le matériel Multibloc a bénéficié des progrès considérables résultant de l'apparition des circuits intégrés.

Ces progrès sont essentiellement de deux ordres : - amélioration des performances

- réduction des coûts

Du côté des performances, on peut donner les exemples suivants concrétisant les gains obtenus en ce domaine grâce aux circuits intégrés :

- réduction de l'impédance d'entrés d'un amplificateur d'impul- sions de 130 à 50 Ohms permettant de porter de 125 à 300 mètres la longueur maximale de la liaison détecteur - électronique.

- réduction d'un facteur 10 de la dérive en température et dans le temps, d'un amplificateur de courant continu.

- augmentation d'un facteur 10 de la fréquence de coupure du même amplificateur.

- amélioration dans un rapport 3 de la précision d'un amplifi- cateur à réponse logarithmique.

Enfin, sur le plan des coûts, l'emploi des circuits intégrés a permis de maintenir la hausse de prix du matériel Multibloc à

5 % environ entre 1968 et 1972 malgré .les importantes hausses de salaire survenues en France pendant cette période, à la suite, en particulier, des événements de mai 1968.

Evolution technique

Outre l'évolution technologique que nous venons de voir, le matériel français de contrôle neutronique des réacteurs s'est enrichi de développements techniques axés :

- d'une part sur l'amélioration des services rendus

d'autre part sur des améliorations d'ordre économique

Amélioration des services rendus . . Le réactimètre

Sur le plan technique par exemple, est apparu un nouvel instrument destiné à mesurer le paramètre essentiel d'un réacteur qu'est la réactivité.

Nous n'entrerons pas dans le détail de cet appareil qui fait l'objet d'une communication écrite par ailleurs.

Signalons simplement que, basé sur la simulation analogique de l'équation cinétique du réacteur, il délivre un signal directement proportionnel à la réactivité.

Cet appareil, largement apprécié en France et à l'étranger, a permis de réduire de 15 jours environ le temps nécessaire aux

essais physiques précédant le premier démarrage de la centrale.

Il constitue également une aide appréciable lors des opérations de rechargement.

Utilisé dans la gamme de puissance nominale d'un réacteur, cet appareil permet en outre de détecter de très faibles variations de réactivité considérées comme l'indice précurseur d'un incident et, par suite, de pouvoir se prémunir contre ce dernier grâce à des actions de sécurité que l'appareil peut lui-même déclen- cher.

. . L'instrumentation à fluctuations

Comme autre exemple de développement technique, nous citerons l'électronique de mesure à fluctuations qui, par rapport aux

procédés classiques, présente en particulier l'avantage d'assurer une bien meilleure discrimination neutrons/gamma.

Cette instrumentation est basée sur le principe suivant.

Si l'on associe à un détecteur neutronique un amplificateur à faible bande passante (de l'ordre de 30 kHz) les impulsions

délivrées par le détecteur sont élargies et, en empiétant les unes sur les autres, donnent naissance à un courant continu fluc-

tuant en raison du caractère aléatoire de l'apparition des impulsions.

La méthode de mesure dite "des fluctuations" ou méthode de Campbell s'intéresse uniquement aux caractéristiques statis- tiques de cette fluctuation.

Dans son principe, elle consiste, après élimination de la compo- sante continue par un condensateur de liaison, à charger le

détecteur par un circuit RC parallèle dont la constante de temps est grande par rapport au temps maximal séparant deux impulsions.

On obtient ainsi aux bornes du condensateur une tension fluc- tuante.

En considérant que l'apparition des événements dans la chambre répond à une loi de POISSON on démontre, par les formules de

CAMPBELL, que l'écart type (S ou valeur efficace de cette tension fluctuante est proportionnelle à la racine carrée du produit NQ 2 dans lequel :

- N est le nombre d'impulsions par seconde - Q est la charge portée par ces impulsions

Or les charges émises dans le détecteur peuvent provenir soit d'une fission provoquée par une capture neutronique, soit d'un rayonne- ment gamma ou X.

La valeur efficace du signal de fluctuation a alors pour valeur :

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en utilisant l'indice n pour les charges produites par les neutrons et l'indice pour les charges produites par les gamma.

Avec une méthode de mesure classique, le signal délivré serait, dans les mêmes conditions :

s = ^K' <^Nn % ^{+ N} a ^Q a ^{) = K}' ^Q « ^{( N} n g ? ⁺ V Q 8

On voit qu'avec la méthode de mesure des fluctuations on gagne un rapport Qn dans la discrimination neutrons-gamma.

Q*

Or ce rapport est environ de 100 pour un compteur à dépôt de bore et de 1000 pour une chambre à fission : on comprend donc tout l'intérêt de cette méthode de mesure.

Au total, le flux neutronique étant proportionnel à Nn, on voit

que l'écart type CT est proportionnel avec une bonne discrimination, à la racine carrée du flux neutronique.

L'électronique de mesure à fluctuations comprend donc, essen- tiellement à partir du détecteur, les circuits suivants :

(voir figure 1)

- un condensateur de liaison pour éliminer la composante continue - un amplificateur de bande passante 30 kHz environ contre

réactionné par un circuit RC et délivrant le signal fluctuant

- un redressement double alternance suivi d'un filtrage permet- tant d'atteindre la valeur efficace de la fluctuation.

A partir de ce signal on peut opérer soit une détection quadra- tique soit une amplification logarithmique selon que l'on désire une réponse linéaire ou logarithmique.

A titre indicatif, la chaîne de mesure que nous avons développée fournit un signal linéaire et un signal logarithmique sur une dynamique de 6 décades correspondant à une gamme de flux comprise entre 1(P à 10*4 ⁿy selon le détecteur utilisé.

Amélioration d'ordre économique La chaîne linéaire - logarithmique

En matière de recherche de réduction des prix, nous citerons d'abord l'exemple d'une instrumentation délivrant simultanément à partir d'une seule chambre d'ionisation :

- d'une part un signal à réponse logarithmique ainsi que la mesure du temps de doublement dans la gamme intermédiaire du réacteur

- d'autre part un signal à réponse linéaire dans la gamme de puissance.

L'économie réalisée par rapport à un équipement classique à deux chaînes de mesure indépendantes est de l'ordre de 40 %.

Pour l'équipement du réacteur Phénix, il a même été associé un réactimètre à la mesure linéaire si bien que l'instrumenta- tion complète délivre simultanément 4 signaux de nature

différente à partir d'un même détecteur.

La chaîne impulsions - fluctuations

Dans le même esprit, Merlin Gerin industrialise actuellement une instrumentation qui, associée à une chambre à fission, exploite d'abord les impulsions, puis les fluctuations du signal, délivrées par le détecteur.

Cette instrumentation mixte impulsions fluctuations permet de

réaliser de façon continue le contrôle d'un réacteur sur 10 décades de sa dynamique, depuis le niveau de source jusqu'au régime

intermédiaire inclus.

REGULATION ET AUTOMATISMES

Les chaînes de régulation et d'automatisme d'une centrale sont généralement conçues à partir de composants industriels tels que les modules analogiques (amplificateurs bas niveau, régula- teurs PID, déclencheurs à seuil, etc . . . ) et de relais électro- mécaniques.

Sans vouloir entrer dans la description de ces équipements qui, à l'heure actuelle, ne relèvent pas de l'instrumentation spécifi- quement nucléaire, nous voudrions souligner le rôle de plus en plus important que ceux-ci sont amenés à prendre dans le

comportement d'une centrale tant sur le plan de sa sécurité de fonctionnement que sur celui de sa disponibilité.

Pour les chaînes de régulation vitales où la tendance consiste à renforcer la redondance au niveau des capteurs et des

chaînes elles-mêmes, on exigera certainement, dans les

futurs projets, une instrumentation dont la fiabilité sera encore plus élevée, -au niveau de celle de l'instrumentation nucléaire.

Cette disposition est déjà adoptée sur la centrale prototype

PHENIX où certaines chaînes thermodynamiques qui entrent en actions de sécurité sont réalisées dans le standard Multibloc.

Une autre tendance également envisagée consiste à doubler les chaînes vitales par des boucles de secours qui viennent se subs- tituer sans perturbation notable aux organes défaillants.

L'emploi généralisé des circuits intégrés permet d'obtenir des équipements très performants à des coûts intéressants.

En matière d'automatisme de sécurité, nous proposerons dès l'an prochain des équipements en relayage statique selon une logique en 2/3 contrôlée en permanence par 1 système de test impulsions fines. Un équipement de ce type fonctionne déjà sur la pile OSIRIS depuis plus de 6 ans à la satisfaction de l'ex- ploitant.

Cependant, dans les centrales futures les actionneurs normaux continueront à être commandés en direct soit par des TPL associés à des séquences rudimentaires du type relayage électromécanique.

ADAPTATION AUX NOUVELLES FILIERES SE DEVELOPPANT EN FRANCE

Situation générale

Depuis l'abandon de la filière graphite gaz à uranium naturel, la France s'est orientée vers l'utilisation immédiate des filières à eau légère en attendant le développement des sur ré générateurs et peut-être, de la filière haute température à gaz.

Pour les PWR, l'instrumentation nucléaire ne constitue pas un problème entièrement nouveau en France, puisque nous avons

réalisé le contrôle commande de la chaudière PWR des sous- marins de la force de dissuasion nationale.

Des essais partiels conduits sur la centrale de CHOOZ ont en outre permis d'éprouver, avec succès, le fonctionnement de l'instrumentation Multibloc sur un réacteur civil.

Du côté des BWR, l'industrialisation en cours de l'instrumen- tation impulsions-fluctuations permet dès à présent de proposer un matériel de fabrication française pour ce type de filière.

En ce qui concerne enfin les réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium, l'expérience de Rapsodie et celle, pro- chaine, de Phénix doivent constituer un atout précieux pour

la mise au point des équipements français destinés aux centrales de grande puissance qui seront construites dans l'avenir selon cette filière.

Problèmes particuliers

Nous nous proposons néanmoins d'exposer deux problèmes qu'a posé en France le développement de la filière eau légère.

- l'un traité par Merlin Gerin concerne la mesure de la position des grappes de contrôle d'un réacteur PWR

- l'autre traité par Framatome en liaison avec le CE A concerne l'instrumentation neutronique dans le coeur et vous sera exposé par M. SAVORNIN.

. Mesure de la position des grappes de contrôle d^Tun Té acteur^- PWR"

Rappelons qu'il s'agit de mesurer en continu la position d'un mobile se déplaçant linéairement sur une course de 3, 70 mètres environ dans un doigt de gant où régnent une pression de 170 bars et une température pouvant atteindre 200° C.

Cette ambiance exclut donc tout emploi en local de composants électroniques.

Compte tenu des difficultés de linéarisation, d'immunisation aux parasites et de compensation en température des capteurs analo-

giques, nous nous sommes tournés vers une solution entièrement numérique basée sur le principe des détecteurs de proximité.

Le passage de l'extrémité de la tige cannelée, liée à la grappe, est détecté par une série de détecteurs de proximité électro- magnétiques répartis sur toute la longueur de la course de la tige.

Chaque détecteur délivre :

- un état 1 lorsque l'extrémité de la barre passe à son niveau - un état 0 dans le cas contraire

Il y a au total 31 détecteurs répartis en 5 groupes (voir figure 2).

Dans chaque groupe, les détecteurs sont montés en série, ce qui entraîne l'obtention pour chacun d'entre eux, d'une succession d'états 0 et d'états 1 alternés au fur et à mesure du déplacement de la tige.

La répartition des détecteurs est conçue pour obtenir en sortie un codage direct, sur 5 bits, de la position de la tige. Le code Gray a été choisi pour son caractère réfléchi, interdisant les erreurs lors du passage d'un intervalle à l'autre.

Au total, le système fournit une information numérique de la position de la grappe avec une précision globale de - 2, 5 %.

Cette performance, qui pourrait d'ailleurs être améliorée en augmentant le nombre des détecteurs de proximité est dû au fait que la précision n'est essentiellement liée :

- qu'au positionnement mécanique des détecteurs par rapport à la tige

- qu'au pouvoir de résolution du système numérique.

Le principe du capteur, basé sur un système tout ou rien permet en effet de s'affranchir dans une large mesure des perturbations extérieures.

CONCLUSION

Avant de laisser la parole à M. SAVORNIN nous voudrions

conclure cet exposé consacré au contrôle des réacteurs français en soulignant l'aspect évolutif du matériel et des équipements : ceci est propre au domaine électronique en général où le progrès technologique est permanent.

Aussi vous donnons-nous rendez-vous au prochain Nuclex pour faire à nouveau le point de cette question.

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