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Auteur(s)
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Jean-Pierre BUREL : Ingénieur Génie atomique - Docteur Instrumentation nucléaire - Ingénieur au département Systèmes et électronique de sûreté, Schneider Electric SA
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Lire l’articleINTRODUCTION
La conduite et la sûreté des réacteurs nécessitent de maîtriser la puissance nucléaire à partir des mesures des rayonnements émis par le cœur. Dans tous les cas, la puissance est caractérisée par sa valeur globale et par sa période sur toute la dynamique de fonctionnement du réacteur. Dans le cas des réacteurs de grandes dimensions, il faut en plus surveiller sa répartition dans le volume du cœur.
Le niveau neutronique varie de manière considérable entre l’arrêt et la marche en puissance. Lorsque le réacteur est en puissance, le niveau neutronique représente 5 × 1010 fois le niveau correspondant à l’arrêt. Cette dynamique très importante impose d’utiliser plusieurs détecteurs pour suivre le niveau de puissance. De manière imagée, si l’on prend le centimètre comme unité correspondant au niveau neutronique à l’arrêt, le niveau de la puissance nominale correspond alors à 5 × 1010 cm soit 500 000 km, soit approximativement à la distance de la terre à la lune.
Si pendant le fonctionnement, les limites sur la puissance, sur la vitesse d’évolution et même sur la répartition dans le cœur sont atteintes, il faut arrêter rapidement le réacteur en faisant chuter les absorbants de commande.
Selon la taille du réacteur et selon les choix du concepteur du réacteur, la surveillance des paramètres nucléaires se fait par l’intermédiaire de deux systèmes d’instrumentation distincts :
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le système d’instrumentation hors cœur qui couvre l’ensemble de la dynamique, et qui s’appuie sur des détecteurs placés à l’extérieur du cœur, et plus précisément de la cuve du réacteur pour les réacteurs de puissance ;
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le système d’instrumentation en cœur qui peut être soit fixe et permanent, soit mobile et périodique.
Cet article présente les systèmes d’instrumentation hors cœur basés sur les mesures neutroniques qui permettent de maîtriser la puissance des réacteurs nucléaires. Il complète l’article sur l’électronique associée aux détecteurs de rayonnements et celui consacré aux détecteurs.
On s’intéresse particulièrement aux réalisations en France mais d’autres réalisations sont présentées comme l’instrumentation des réacteurs VVER.
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2. Mesure du niveau neutronique
Pour accéder rapidement à la mesure de la puissance du réacteur sans être soumis aux contraintes qui règnent dans le cœur, le moyen le plus simple consiste à mesurer l’intensité des neutrons qui sortent du cœur. Le paramètre utilisé est en fait le débit de fluence neutronique ou flux neutronique. Pour faire cette mesure, on place des détecteurs de neutrons à l’extérieur du cœur et même à l’extérieur de la cuve du réacteur.
Les seuls détecteurs utilisables dans de telles conditions sont les détecteurs basés sur les phénomènes d’ionisation dans les gaz : compteurs proportionnels et chambres d’ionisation. Ces détecteurs sont sensibles aux neutrons et aux gamma et les rayonnements qui sortent du cœur sont une combinaison de neutrons et de gamma qui ne sont pas tous représentatifs de la puissance instantanée du réacteur.
Pour préciser ce point, on rappelle que les rayonnements qui sortent du cœur comprennent des neutrons et des gamma qui peuvent être classés en cinq catégories :
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les neutrons instantanés de fission : ce sont les plus importants car ils contiennent l’essentiel de l’information représentative de la puissance du réacteur et ce sont bien les neutrons qui produisent la fission. Leur intensité est proportionnelle à la puissance du réacteur ;
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les gamma instantanés de fission : ils sont émis en même temps que les neutrons instantanés. Le signal qu’ils délivrent est faible par rapport à celui des neutrons et leur intensité est également proportionnelle à la puissance. Leur signal n’est donc pas une perturbation de la mesure de puissance ;
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les gamma retardés émis par les produits de fission accumulés dans le cœur : leur importance augmente avec l’usure du combustible. Ils délivrent un signal qui n’est pas proportionnel à la puissance. C’est une perturbation importante à faible puissance. Après un rechargement du combustible, la décroissance radioactive a réduit leur intensité. Par contre après un fonctionnement prolongé, ils constituent la perturbation la plus importante pour les niveaux faibles et intermédiaires. Les techniques de détection doivent donc en tenir compte et réduire la contribution des gamma au signal ;
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les neutrons retardés émis par les précurseurs : ces neutrons sont très peu nombreux et leur signal ne perturbe...
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