DIVISION ETUDES ET DEVELOPPEMENT DES REACTEURS Département des Réacteurs à Neutrons Rapides

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RESUME :

3. International conference on liquid metal engineering and technology in energy production

Oxford (UK) 9-13 Apr 1984 CEA-CONF—7643

D R N R / P/ N»282

CAPTEURS DE VIBRATION S . POINSOT

Les capteurs, destinés à assurer la surveillance des structures internes des réacteurs à neutrons rapides, ont été développés en fonction des impératifs suivants :

fonctionnement à long terme en basse fréquence (1 Hz à 50 Hz environ) et pouvant détecter des accélérations de 10-2g,

fonctionnement jusqu'à une température de 600°C sous flux neutronique et gamma importants.

Ces impératifs ont conduit à développer des capteurs à masse vibrante liquide (sodium), le principe utilisé étant

celui du débitmètre électromagnétique (Principe de Faraday).

CAPTEURS DE VIBRATIONS

I-INTRODUCTION!

Les capteurs sont développés dans le but d'assurer la surveillance des structures internes des réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium.

Les impératifs suivants ont déterminé leur conception :

- Fonctionnement à long terme en basse fréquence (1 Hz - 50 Hz envi- ron) et pouvant détecter des accélérations de 1/100 "g".

- Fonctionnement jusqu'à une température de 600° C sous flux neutro- nique et gamma importants.

Compte tenu de ces impératifs, il a été décidé de réaliser des capteurs ayant pour masse vibrante du sodium liquide (ces capteurs sont de type monoaxial).

- Principe :

Le principe de fonctionnement est celui du débit mètre électromagné- tique (loi de FARADAY) : (Figure 1)

la masse vibrante constituée par le sodium, soumise aux vibrations de la structure sur laquelle est fixé le capteur, se déplace perpendiculairement à un champ magnétique créé par des bobines alimentées en courant continu. Le métal liquide c'evient le siège de tensions induites proportionnelles à sa vitesse, elle-même proportionnelle à l'amplitude et à la fréquence des vibrations.

fl-DESCRIPTION;

Le capteur se présente sous la forme d'un boitier cylindrique en acier inoxydable de 60 mm de diamètre et de 55 mm de hauteur (figure 2).

11 peut être muni, en partie haute, d'un boitier de protection pour la sortie des câbles; de plus, en partie basse, il peut être équipé d'une pièce cylin- drique ajourée en acier inoxydable, permettant de le souder sur une structure (fi- gure 3).

La quantité de sodium constituant la masse vibrante liquide est égale à 7,8 grammes.

Le capteur comporte trois bobines, reliées en série, chargée» de créer un champ magnétique perpendiculaire au canal de circulation du sodium; ces bobines

sont alimentées par un courant continu de 2,5 A. La valeur du champ magnétique dans l'entrefer esl d'environ 4,5.10"^ T .

IB - ESSAIS :

m - 1- Banc d'essais .

Les essais ont été effectués à l'aide d'un excitateur électrodynamique, de force nominale crête égale à 380 newtons, chargé d'entraîner une table mobile sur laquelle est fixé le capteur.

La table mobile est surmontée d'un four, fixejmr rapport à elle, permet- tant de soumettre le capteur à des températures pouvant aller jusqu'à 600° C.

Pour chaque mesure, le déplacement de la table vibrante est contrôlé à l'aide d'un capteur de déplacement à courses de FOUCAULT ( figure 4 ).

m - 2 - Conditions de mesure .

Des essais ont été effectués aux températures suivantes : 180° C - 350° C - 550° C

Les signaux délivrés par le capteur ont été étudiés dans la gamme de fréquence : 1 Hz - 50 Hz pour des déplacements crêtes successivement égaux à :

0,1mm - 0,3 mm - 0,5 mm - 0,7 mm - 1 mm.

A leur sortie des capteurs, les signaux subissent une amplification égale à 20 000 - La fréquence de coupure haute des amplificateurs est réglée à 100 Hz et la fréquence de coupure basse à 0,5 Hz. En outre, les signaux traversent un filtre passe-bas réglé constamment au double de la fréquence étudiée.

La chaîne de mesure comprend également un filtre rejecteur numérique dont le rôle est d'éliminer la composante à 50Hz des signaux étudiés.

m - 3 - Fréquence de résonance :.

Le sodium, à l'intérieur du capteur, se comporte comme un pendule liquide et a par conséquent une fréquence de résonance dé là forme;

g étant l'accélération due à la pesanteur et L la longueur de la colonne de sodium liquide.

La résonnance est égale, quelle que soit la température, à 1.9 Hz.

Elle a été supprimée artificiellement à l'aide d'un filtre réjecteur centré sur 1,9 Hz.

ID - 4 - MESURES :

Les mesures ont consisté à relever la tension délivrée par le cap- teur pour les températures, fréquences et déplacements crêtes indiqués ci-dessus.

Les résultats obtenus sont résumés sur les figures 5,6 et 7 (chaque courbe représente la moyenne de quatre séries de mesures. Les courbes sont paramétrées en déplacements).

La figure 8 représente la courbe de la sensibilité pour les tempéra- tures 115° C et 550° C en fonction de la fréquence. Cet essai a été effectué avec un déplacement crête de 0,1 mm.

La sensibilité est donnée ici par l'expression : S = e * 9180 /*V/g

a w^

e - tension crête, en^V, délivrée directement par le capteur (donc en l'absence d'amplification ).

a = déplacement crête, en mm, de la table vibrante.

w = 2TT f ; f = fréquence (en Hz) d'exitation de la table vibrante.

9180 = accéléraiton due à la pesanteur (g) en mm/s/s.

On remarque une légère diminution de la sensibilité en fonction de l'élévation de température.

Une comparaison de la sensibilité entre l'axe direct et l'axe trans- verse a été effectuée. Pour ce faire, la tension délivrée en fonction de la fré- quence a été contrôlée en excitant le capteur suivant son axe de fonctionne- ment normal puis suivant un axe perpendiculaire à celui-ci. 11 apparaît que la sensibilité suivant l'axe transverse est négligeable, les signaux recueillis dans ce cas étant noyés dans le bruit de fond.

IV - CONCLUSION :

Un capteur de ce type a fonctionné pendant environ 1 an dan.; un four, où il a subi de nombreuses variations de température et d'exitation, sans

incident. Un autre cnpteur a fonctionné quelques mois en sodium, jusqu'à 550°C, de manière satisfaisante.

Les résultats obtenus montrent que l'appareil fonctionne bien en tem- pérature et qu'il peut aisément supporter les conditions de marche normale d'un réacteur.

La démonstration des possibilités réelles de ce type d'instrumenta- tion sera confirmée au cours des essais de démarrage de Super-Phénix 1, où Deux capteurs ont été installés à titre de prototypes.

SENS DE DEPLACEMENTS DES*CAPTEURS

CUVE NOYAU FER ' BOBINE

Ç*^CHAMP MAGNETIQUE CRÉÉ PAR LA BOBINE ELECTRODE SOUDEE

SUR LA PAROI DE LA CUVE

MESURE DE LA TENSION CREEE PAR LE DEPLACEMENT DU LIOUiDE

DANS" LE CHAMP MAGNETIQUE

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