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RÉSUMÉ
Le développement d’une mesure non destructive de la pression et de la composition gazeuse dans un crayon combustible est un projet d’innovation très bénéfique pour le nucléaire. Son aboutissement permettrait de multiplier les mesures et donc d’améliorer notre connaissance des comportements des produits combustible en réacteur, tout en diminuant les déchets et les risques radiologiques pour les intervenants. La collaboration en cours entre EDF et l’IES (Université de Montpellier / CNRS) a pour objectif de parvenir à réaliser directement en milieu industriel des mesures exploitables, y compris sur des crayons neufs ou faiblement irradiés présentant une pression interne faible.
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Jean-Yves FERRANDIS : Ingénieur de recherche CNRS - IES (Institut d’Electronique et des Systèmes), UMR5214, université de Montpellier / CNRS, France
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Rémi TOURNEUX : Chargé d’affaire combustible nucléaire - EDF, division Combustible nucléaire (EDF/DPNT/DCN), France
INTRODUCTION
Parvenir à réaliser des mesures sur les assemblages de combustible d’uranium, directement dans les piscines de désactivation des centrales nucléaires est un objectif complexe mais utile pour multiplier efficacement les mesures et les applications.
Aujourd’hui pour pouvoir mesurer la pression ou la composition interne des gaz de fission d’un crayon, il est nécessaire de procéder à des opérations lourdes et générant une exposition radiologique pour les intervenants (extraction du crayon à analyser, transport du crayon avec un emballage spécialisé et soumis à agrément de l’Autorité de sûreté nucléaire, réception du crayon dans un laboratoire spécialisé pour pouvoir analyser le gaz contenu à l’intérieur, puis mise en déchet du crayon).
Une mise en œuvre directement en piscine de désactivation permettrait donc d’éviter des opérations lourdes, coûteuses et sensibles d’un point de vue sûreté nucléaire/radioprotection et de diminuer la production de déchets nucléaires.
Ces dernières années, EDF, IES et le fabricant de sonde SONAXIS ont donc travaillé conjointement pour progresser vers cet objectif, ce qui a impliqué des travaux conséquents pour optimiser le traitement du signal et réaliser des capteurs opérationnels suffisamment miniaturisés pour permettre une utilisation dans le faisceau d’un assemblage combustible. Des travaux ont également été réalisés pour démontrer qu’une mise en œuvre des sondes sans assistance manuelle directe dans une configuration proche d’une intervention sur assemblage en piscine de désactivation de combustible était possible. Il a notamment été nécessaire d’aboutir à un design de porteur prototype permettant de maîtriser le positionnement et la force d’appui du capteur sur un crayon. Enfin, différentes configurations de crayons, représentatives du parc EDF (épaisseurs de tubes, ressorts, niveau d’oxydation), ont été testées et les impacts sur la mesure ont été quantifiés.
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4. Amélioration des performances des capteurs
Dans le cadre des précédentes collaborations, plusieurs séries de capteurs ont été développées.
Pour effectuer des mesures en conditions de faible concentration en gaz de fission (même pour de l’hélium pur) et pour un niveau de pression interne équivalent à celui d’un crayon combustible neuf, il convient d’optimiser la sensibilité du capteur. Pour cela nous utilisons le modèle de l’empilement présenté dans l’article initial [IN 113] modifiant les paramètres du modèle :
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les épaisseurs des couches (piézo/lame/eau/tube) ;
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les propriétés électromécaniques de l’élément piézoélectrique ;
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la vitesse acoustique, la densité, l’atténuation des couches.
Cette modélisation permet de concevoir de nouveaux capteurs mais aussi de contrôler la fabrication des capteurs. Le modèle donne aussi accès à la sensibilité théorique au gaz : il s’agit de l’amplitude théorique des résonances du gaz en fonction de la fréquence.
Ainsi nous pouvons représenter, comme sur la figure 4, pour différentes configurations les réponses en termes de sensibilité d’un capteur pour un matériau donné, en fonction de l’épaisseur de l’élément piézoélectrique et de la couche.
Sur la figure 4, la courbe à droite représente la réponse fréquentielle théorique de la sensibilité d’un capteur pour une couche piézoélectrique de xxx microns et une couche de matériau LLPM yyy microns. Les critères d’optimisation peuvent être adaptés au besoin et sont, dans notre cas, la sensibilité sur la bande de fréquence choisie (Sens6-10MHz), l’effet d’un non-parallélisme des couches (Coin10 pour un effet de coin de 10 µm) et éventuellement un critère de largeur de bande. La conception de...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - HANNUM (W.) et al - Réacteur à neutrons rapides contre déchets nucléaires. - Pour la science, p. 32-39, janv. 2006.
-
(2) - BELAUD (S.) - Énergie nucléaire : le nouvel élan. - Le journal du CNRS, (195), p. 19-27, avr. 2006.
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(3) - OLANDER (D.R.) - Fundamental aspects of nuclear fuel elements. - Chapter 15, TID-26711-P1. US Dept of Energy (1976).
-
(4) - THEVENIN (R.M.-P.), BARON (D.), PETITPREZ (B.), PLANCQ (D.) - CYRANO3: the industrial PLEIADES fuel performance code for EDF PWR studies. -
-
(5) - BARON (D.) et al - CYRANO 3 the EDF fuel performance code especially designed for enginneering applications. - In: Water reactor fuel performance meeting proceeding, Seoul (2008).
-
(6) - JOHNSON (K.O.), COFFMAN (F.M.) - Leak...
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