Qu’est-ce que l’Excore Nuclear Instrumentation – Définition

Le flux neutronique est généralement mesuré par des détecteurs de neutrons excore installés à l’extérieur du cœur . Ces détecteurs appartiennent à ce qu’on appelle le système d’instrumentation nucléaire d’Excore (NIS) . Le système d’instrumentation nucléaire d’Excore surveille le niveau de puissance du réacteur en détectant les fuites de neutrons du cœur du réacteur. Le système d’instrumentation nucléaire d’Excore se compose généralement de trois plages d’instrumentation d’Excore qui se chevauchent , qui surveillent le niveau de flux neutronique généré dans le cœur de quelques comptes par seconde jusqu’à environ 10 ¹⁵ neutrons / cm ^2./ sec (correspond à environ 200% de la puissance nominale). Étant donné que le flux neutronique couvre une large plage (environ 12 décennies), trois plages d’instrumentation sont utilisées pour obtenir des mesures précises du niveau de flux:

• Détecteurs de plage source
• Détecteurs à portée intermédiaire
• Détecteurs de plage de puissance

Ces détecteurs d’excore sont généralement situés dans des puits d’instruments dans le bouclier primaire (bouclier en béton) adjacent à la cuve du réacteur . Le système fournit des signaux d’indication, de commande et d’alarme pour le fonctionnement et la protection du réacteur. Par conséquent, le système d’instrumentation nucléaire d’Excore est considéré comme un système lié à la sûreté , car il fournit des entrées au système de protection du réacteur pendant le démarrage et le fonctionnement électrique. Ce système est de la plus haute importance pour le système de protection des réacteurs, car les changements dans le flux de neutrons ne peuvent être reconnus presque rapidement que via ce système.

La fonction principale du système d’instrumentation nucléaire d’Excore est de protéger le cœur du réacteur contre la surpuissance en surveillant le flux de neutrons et en générant des alarmes et des déclenchements appropriés pour arrêter le réacteur si nécessaire. Chaque gamme d’instruments (source, intermédiaire et puissance) fournit la protection de déclenchement du réacteur à surpuissance nécessaire (déclenchement du réacteur à flux de neutrons élevés) requise pendant le fonctionnement dans cette plage.

Voir aussi: Détection de neutrons

Détecteurs de plage source

Les détecteurs de la plage source surveillent le flux de neutrons (puissance du réacteur) aux niveaux d’arrêt les plus bas et fournissent des indications, des alarmes et des arrêts de réacteur. L’instrumentation de la plage source se compose généralement de deux ou quatre canaux de la plage source, chacun avec son propre détecteur séparé, son chemin de câbles et ses circuits électroniques. Les détecteurs utilisés sont généralement des compteurs proportionnels de trifluorure de bore à haute sensibilité (BF ₃ ) . En général, les compteurs proportionnels sont capables d’ identifier les particules et de mesurer l’énergie (spectroscopie). La hauteur d’impulsion reflète l’énergie déposée par le rayonnement incident dans le gaz détecteur. En tant que tel, il est possible de distinguer les impulsions plus importantes produites par les particules alpha(produites par des réactions (n, alpha)) à partir des impulsions plus petites produites par les particules bêta ou les rayons gamma .

Ces détecteurs BF ₃ produisent une sortie de fréquence d’impulsion proportionnelle au flux de neutrons thermiques observé au niveau du détecteur. Ces canaux sont généralement utilisés sur une plage de comptage de 0,1 à 10 ⁶ comptes par seconde , mais varient en fonction de la conception du réacteur. Ces détecteurs d’excore sont généralement situés dans des puits d’instruments dans le bouclier primaire (bouclier en béton) adjacent à la cuve du réacteur.

L’instrumentation de la plage de sources surveille et indique le niveau de flux neutronique du cœur du réacteur et la vitesse à laquelle le flux neutronique change pendant l’ arrêt du réacteur et la phase initiale de démarrage . Ils sont très importants pour la surveillance de la sous-criticité lors du rechargement du carburant, lorsque la multiplication sous – critique a lieu. Le flux neutronique est indiqué en coups par seconde (cps). Le taux de variation de la population de neutrons est indiqué sous forme de taux de démarrage (SUR), qui est défini comme le nombre de facteurs sur dix qui modifient la puissance en une minute. Par conséquent, les unités de SUR sont des puissances de dix par minute, ou déca des par minute ( dpm ).

Il existe deux principaux problèmes dans l’instrumentation de la plage source:

• Discrimination . Lors de l’arrêt du réacteur et de la phase initiale de démarrage, il est nécessaire de distinguer le nombre relativement faible d’impulsions produites par les neutrons du grand nombre d’impulsions produites par le rayonnement gamma . Ainsi, la discrimination gamma est particulièrement intéressante lors de l’arrêt après que le cœur du réacteur a atteint un niveau significatif de combustion du combustible. Cette condition produit un champ gamma élevé et un faible flux neutronique autour du détecteur. Les compteurs proportionnels permettent la discrimination mais ils doivent être calibrés. Le discriminateur exclut le passage d’impulsions inférieures à un niveau prédéterminé. La fonction du discriminateur est d’exclure le bruit et les impulsions gamma dont l’amplitude est inférieure à celle des impulsions neutroniques (impulsions alpha respectivement). De nombreuses centrales électriques ont jugé nécessaire de placer des compteurs proportionnels de plage de source dans un blindage en plomb pour réduire le rayonnement gamma au niveau des détecteurs. Cela augmente la sensibilité à l’extrémité inférieure du détecteur et peut prolonger la durée de vie du détecteur.
• Temps mort . Cet instrument peut indiquer jusqu’à un taux de comptage de neutrons maximum de 10 ⁶ cps. Des taux de comptage plus élevés sont influencés par un phénomène appelé temps mort. Le temps mort est la période pendant laquelle le détecteur est occupé et ne peut pas accepter et traiter des impulsions. Ce phénomène peut avoir de graves conséquences, car le temps mort fausse les sorties à des activités ou des débits de dose élevés.

Certaines centrales électriques ont prévu de déplacer les détecteurs de la plage source de leurs positions de fonctionnement à une position de niveau de flux neutronique réduit, une fois que le niveau de flux augmente au-dessus de la plage source.

Référence spéciale: Plan d’examen standard pour l’examen des rapports d’analyse de sûreté pour les centrales nucléaires: édition LWR. NUREG-0800, US NRC.

Gamme de sources – Sécurité du réacteur

Comme il a été écrit, le système d’instrumentation nucléaire d’Excore est considéré comme un système lié à la sûreté, car il fournit des entrées au système de protection du réacteur . Le déclenchement du flux neutronique de la plage source fournit la protection centrale contre les accidents de réactivité en MODE 2 (démarrage du réacteur). Par exemple, le déclenchement du flux de neutrons de la plage source garantit qu’une protection est fournie contre un accident de retrait de tige de banque RCCA non contrôlé d’une condition sous-critique pendant le démarrage. Il offre également une protection contre les accidents de dilution du bore et les événements d’éjection des barres de contrôle.

Pendant le ravitaillement en carburant, les détecteurs de la gamme source assurent également la surveillance de la sous-criticité du réacteur. Ils sont également équipés d’une alarme, qui peut servir de signal d’évacuation de confinement si le flux neutronique dépasse une valeur prédéfinie. Cette alarme alerte les opérateurs et le personnel de la salle de contrôle dans le confinement d’un ajout de réactivité positive au réacteur pendant les conditions d’arrêt.

Détecteurs à portée intermédiaire

Les détecteurs à plage intermédiaire surveillent le flux de neutrons (puissance du réacteur) au niveau du flux intermédiaire. Ils fournissent également des indications, des alarmes et des signaux de déclenchement du réacteur . Leur plage s’étend de la partie supérieure de la plage source à la plage de puissance (couvre une période de huit décennies). La conception de cet instrument est choisie pour assurer un chevauchement entre les canaux de la plage source et la portée partielle ou complète des instruments de la plage de puissance . L’instrumentation de gamme intermédiaire se compose généralement de deux ou quatre canaux, chacun avec son propre détecteur séparé, son chemin de câbles et ses circuits électroniques. Les détecteurs utilisés sont généralement   doublés de bore ouchambres d’ionisation compensées remplies de bore ou chambres de fission . Leur précision n’atteint généralement pas la précision de l’instrumentation de plage de puissance fonctionnant dans une plage beaucoup plus étroite.

L’instrumentation de la plage de sources surveille et indique le niveau de flux neutronique du cœur du réacteur et la vitesse à laquelle le flux neutronique change pendant toute la phase de démarrage du réacteur et de fonctionnement électrique. Le flux neutronique est indiqué en pourcentage de la puissance nominale. Le taux de variation de la population de neutrons est indiqué en tant que taux de démarrage (SUR), qui est défini comme le nombre de facteurs de dix qui modifient la puissance en une minute. Par conséquent, les unités de SUR sont des puissances de dix par minute, ou des décennies par minute ( dpm ). Un taux de démarrage élevé sur l’un ou l’autre canal peut déclencher une action de protection.

Gamme intermédiaire – Sécurité du réacteur

Comme il a été écrit, le système d’instrumentation nucléaire d’Excore est considéré comme un système lié à la sûreté, car il fournit des entrées au système de protection du réacteur . Le déclenchement du flux de neutrons à plage intermédiaire fournit la protection de base contre un accident de contrôle de la tige de banque RCCA non contrôlé d’une condition sous-critique pendant le démarrage. Cette fonction de déclenchement fournit une protection redondante au flux neutronique de la plage de puissance – point de consigne bas. Il fournit également une protection redondante à la fonction de déclenchement de la plage source pour les accidents de dilution au bore et les événements d’éjection de la tige de commande.

Chambres d’ionisation compensées

La chambre d’ionisation , également connue sous le nom de chambre d’ions , est un appareil électrique qui détecte différents types de rayonnements ionisants . La tension du détecteur est ajustée pour que les conditions correspondent à la région d’ionisation . La tension n’est pas suffisamment élevée pour produire une amplification de gaz (ionisation secondaire). Les chambres d’ionisation sont préférées pour les débits de dose de rayonnement élevés car elles n’ont pas de «temps mort», un phénomène qui affecte la précision du tube Geiger-Mueller à des débits de dose élevés.

La chambre à ions compensés est utilisée dans la plage intermédiaire car la sortie de courant est proportionnelle au flux neutronique relativement stable et elle compense les signaux provenant du flux gamma. La chambre à ions compensés se compose de deux détecteurs dans un cas. La chambre extérieure est revêtue à l’intérieur de bore-10 , tandis que la chambre intérieure n’est pas revêtue. La chambre revêtue est sensible aux rayons gamma et aux neutrons, tandis que la chambre non revêtue n’est sensible qu’aux rayons gamma. En connectant correctement les deux chambres, la sortie électrique nette du détecteur sera le courant dû uniquement aux neutrons.

Pour obtenir la bonne compensation gamma, les tensions entre ces deux jeux d’électrodes doivent être équilibrées. Les conséquences d’un fonctionnement avec une chambre surcompensée ou sous-compensée sont importantes. Si la tension dans la chambre de compensation est trop élevée, le détecteur est surcompensé et une partie du courant neutronique, ainsi que la totalité du courant gamma, est bloquée et la puissance indiquée est inférieure à la puissance réelle du cœur. Si la tension de compensation est trop faible, une sous- compensation se produira. À haute puissance, le flux gamma est relativement faible par rapport au flux neutronique, et les effets d’une compensation incorrecte peuvent ne pas être remarqués. Il est cependant extrêmement important que la chambre soit correctement compensée pendant le démarrage et l’arrêt du réacteur.

Voir aussi: US Department of Energy, Instrumentation and Control. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 of 2. June 1992.

Chambre de fission – Détecteurs à large plage

Les chambres à fission sont des détecteurs à ionisation utilisés pour détecter les neutrons. Les chambres de fission peuvent être utilisées comme détecteurs de gamme intermédiaire pour surveiller le flux de neutrons (puissance du réacteur) au niveau du flux intermédiaire. Ils fournissent également des indications, des alarmes et des signaux de déclenchement du réacteur. La conception de cet instrument est choisie pour assurer un chevauchement entre les canaux de la plage source et la pleine plage des instruments de la plage de puissance.

En général, la chambre d’ionisation , également connue sous le nom de chambre d’ions , est un appareil électrique qui détecte différents types de rayonnements ionisants . La tension du détecteur est ajustée pour que les conditions correspondent à la région d’ionisation . La tension n’est pas suffisamment élevée pour produire une amplification de gaz (ionisation secondaire). Les chambres d’ionisation sont préférées pour les débits de dose de rayonnement élevés car elles n’ont pas de «temps mort», un phénomène qui affecte la précision du tube Geiger-Muellerà des débits de dose élevés. De plus, dans la région d’ionisation, une augmentation de tension n’entraîne pas une augmentation substantielle du nombre de paires d’ions collectées. Le nombre de paires d’ions collectées par les électrodes est égal au nombre de paires d’ions produites par le rayonnement incident, et dépend du type et de l’énergie des particules ou des rayons dans le rayonnement incident.

Dans le cas des chambres à fission , la chambre est recouverte d’une fine couche d’ uranium 235 hautement enrichi pour détecter les neutrons. Les neutrons ne sont pas directement ionisants et doivent généralement être convertis en particules chargées avant de pouvoir être détectés. Un neutron thermique provoquera la fission d’ un atome d’uranium 235 , les deux fragments de fission produits ayant une énergie cinétique élevéeet provoquant l’ionisation du gaz d’argon à l’intérieur du détecteur. Un avantage d’utiliser un revêtement d’uranium 235 plutôt que du bore 10 est que les fragments de fission ont une énergie beaucoup plus élevée que la particule alpha issue d’une réaction au bore. De plus, les fragments de fission résultant de l’interaction des neutrons avec le revêtement provoquent une quantité d’ionisation beaucoup plus importante dans la chambre de fission que le rayonnement gamma incident sur le détecteur. Il en résulte que les impulsions de charge générées par les neutrons sont nettement plus grandes que les impulsions gamma. Des circuits de discrimination de taille d’impulsion peuvent ensuite être utilisés pour bloquer les impulsions gamma indésirables. Par conséquent, les chambres de fission sont très sensibles au flux de neutrons, ce qui permet aux chambres de fission de fonctionner dans des champs gamma supérieurs qu’une chambre à ions non compensée avec une doublure de bore.

Les chambres à fission sont souvent utilisées comme dispositifs indicateurs de courant et dispositifs à impulsions en fonction du niveau de flux neutronique. En mode impulsionnel, les chambres à fission sont particulièrement utiles, en raison de la très grande différence de taille d’impulsion entre les neutrons et les rayons gamma. Lorsque la puissance est élevée dans la plage intermédiaire ou dans la plage de puissance (c’est-à-dire dans un flux gamma et neutronique mixte de haut niveau), les chambres de fission peuvent fonctionner en mode Campbelling (également appelé «mode de fluctuation» ou «mode de tension quadratique moyenne») pour fournir des mesures fiables et précises liées aux neutrons. La technique Campbelling élimine la contribution gamma. En raison de la double utilisation de la chambre de fission, elle est souvent utilisée dans des canaux «à large spectre» dans les systèmes d’instrumentation nucléaire.

Détecteurs de plage de puissance

Les détecteurs de gamme de puissance sont un système d’instrumentation nucléaire clé pour le fonctionnement électrique. Ils surveillent le flux de neutrons (puissance du réacteur) de zéro à environ 120% de la pleine puissance nominale ainsi que l’indication de la distribution axiale et radiale de cette puissance. Ils fournissent également des indications, des alarmes et des signaux de déclenchement du réacteur. À mesure que le niveau de flux neutronique augmente dans la plage de puissance, la compensation gamma n’est pas une préoccupation majeure car les rayons gamma ne contribuent pas beaucoup à l’ionisation totale (environ 0,1% à 100% de puissance). Par conséquent, l’instrumentation de la plage de puissance se compose généralement de quatre chambres d’ionisation non compensées , chacune avec son propre détecteur séparé, son chemin de câbles et ses circuits électroniques. La chambre d’ionisation , également connue sous le nom de chambre d’ions, est un appareil électrique qui détecte différents types de rayonnements ionisants . La tension du détecteur est ajustée pour que les conditions correspondent à la région d’ionisation . La tension n’est pas suffisamment élevée pour produire une amplification de gaz (ionisation secondaire). Les chambres d’ionisation sont préférées pour les débits de dose de rayonnement élevés car elles n’ont pas de « temps mort »», Un phénomène qui affecte la précision du tube Geiger-Mueller à des débits de dose élevés. Le détecteur est constitué d’une seule chambre cylindrique dont le fonctionnement est identique à celui de la chambre doublée de bore de la chambre à ions compensés. Cette chambre non compensée est sensible à la fois aux rayons gamma et aux neutrons. Cependant, dans la plage de puissance de fonctionnement, le niveau de flux neutronique est plusieurs fois supérieur au flux gamma et, par conséquent, aucune compensation gamma n’est requise.

Les quatre canaux sont physiquement et fonctionnellement identiques. Chaque canal de plage de puissance utilise un détecteur à chambre d’ions non compensé supérieur et inférieur (détecteur tandem) qui permet de mesurer la différence de flux axial . Chaque canal surveille également un «quadrant» du cœur. Un détecteur supérieur et un détecteur inférieur sont montés à l’intérieur du même puits d’instrument. Les sorties des deux détecteurs (supérieur et inférieur) sont combinées pour produire un signal de puissance totale de canal. Les huit sorties de détecteur (quatre détecteurs supérieurs et quatre détecteurs inférieurs) sont comparées les unes aux autres pour fournir des informations de distribution d’énergie (AFD et QPTR ) à l’exploitant du réacteur.

La différence de flux axial est définie comme la différence de signaux de flux normalisés (AFD) entre les moitiés supérieure et inférieure d’un détecteur de neutrons excore à deux sections, va diminuer.

L’AFD est définie comme:

AFD ou ΔI = I _haut – I _bas

où I en _haut et en _bas sont exprimés en fraction de la puissance thermique nominale.

QPTR est défini comme:

Rapport entre la sortie calibrée maximale du détecteur d’excore supérieur et la moyenne des sorties calibrées du détecteur d’excore supérieur ou le rapport entre la sortie calibrée maximale du détecteur d’excore inférieur et la moyenne des sorties calibrées du détecteur d’excore inférieur, la valeur la plus élevée étant retenue.

L’instrumentation de la plage de puissance surveille et indique le niveau de flux neutronique du cœur du réacteur et la vitesse à laquelle le flux neutronique change pendant une opération de puissance et une opération de suivi de charge standard. Le flux neutronique est indiqué en pourcentage de la puissance nominale. Le taux de variation de la population de neutrons est indiqué sous forme de taux de démarrage (SUR), qui est défini comme le nombre de facteurs de dix qui modifient la puissance en une minute. Par conséquent, les unités de SUR sont des puissances de dix par minute, ou des décennies par minute ( dpm ).

Bien que le système d’instrumentation nucléaire fournisse une réponse rapide aux changements de flux de neutrons et qu’il soit irremplaçable, il doit être calibré . Les canaux de la plage de puissance sont calibrés pour indiquer le pourcentage de puissance thermique nominale par un bilan thermique secondaire (calorimétrique). La puissance thermique précise du réacteur ne peut être mesurée que par des méthodes basées sur le bilan énergétique du circuit primaire ou le bilan énergétique du circuit secondaire.

Référence spéciale: Plan d’examen standard pour l’examen des rapports d’analyse de sûreté pour les centrales nucléaires: édition LWR. NUREG-0800, US NRC.

Flux de neutrons et combustion de carburant

Dans un réacteur de puissance sur une période de temps relativement courte (jours ou semaines), la densité atomique des atomes de combustible reste relativement constante. Par conséquent, dans cette courte période, le flux de neutrons moyen reste également constant lorsque le réacteur fonctionne à un niveau de puissance constant. D’un autre côté, les densités de numéros atomiques des isotopes fissiles sur une période de plusieurs mois diminuent en raison de la combustion du combustible et donc également des coupes transversales macroscopiques . Il en résulte une lente augmentation du flux neutronique afin de maintenir le niveau de puissance souhaité. Par conséquent, le système d’instrumentation nucléaire d’Excore doit être périodiquement calibré.

Plage de puissance – Sécurité du réacteur

Comme il a été écrit, le système d’instrumentation nucléaire d’Excore est considéré comme un système lié à la sûreté, car il fournit des entrées au système de protection du réacteur . Le déclenchement du flux de neutrons de la plage de puissance fournit la protection de base pour de nombreux accidents d’excursion de puissance en MODE 1 (fonctionnement électrique). Exemples de signaux d’action de protection fournis par la plage de puissance:

• Flux de neutrons de la plage de puissance (point de consigne bas). Un déclenchement du réacteur se produit si le niveau de puissance dépasse la valeur prédéfinie (par exemple 25%) sur deux des quatre canaux, et le déclenchement n’est pas bloqué.
• Flux de neutrons de la plage de puissance (High – Setpoint). Un déclenchement du réacteur se produira si le niveau de puissance dépasse la valeur prédéfinie (par exemple 109%) sur deux des quatre canaux pour protéger le cœur d’une condition de surpuissance et pour se protéger d’une excursion de réactivité positive conduisant à DNB pendant les opérations de puissance. Ce voyage ne peut pas être bloqué.
• Taux de voyages . Si le taux de variation de la puissance du réacteur dépasse une valeur prédéfinie dans le sens positif ou négatif, un déclenchement du réacteur se produit.
  • Le déclenchement à taux positif élevé garantit qu’une protection est fournie contre les augmentations rapides du flux de neutrons qui sont caractéristiques d’une rupture du boîtier de la tige d’entraînement RCCA et de l’éjection qui l’accompagne.
  • Le déclenchement à taux négatif élevé garantit la protection contre les accidents de chute de tige multiples. À des niveaux de puissance élevés, un accident de chute de barreaux multiples pourrait provoquer un pic de flux local qui entraînerait un DNBR local non conservateur.