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Technique de pilotage de réacteur nucléaire.
L'invention concerne une technique de pilotage de réacteurs nucléaires, et plus particulièrement une technique qui permette un suivi plus adéquat des variations de charge imposées par le réseau.
Le pilotage des réacteurs nucléaires du type à eau pressurisée comporte, de façon connue, l'exploitation de mesures traditionnelles notamment celles concernant les flux neutroniques, la concentration en poison neutronique, les températures d'entrée et de sortie, la pression..... Le pilotage comporte aussi la mise en oeuvre des moyens permettant la modification des conditions de fonctionnement, essentiellement le déplacement de barres de contrôles, et les variations de concentration en poison neutronique.
Les mesures indiquées précédemment sont normalement transformées en paramètres dérivés nommés "observables", qui représentent la marche du réacteur de manière plus proche des impératifs d'exploitation. Il s'agit notamment de l'anti-réactivité et de la réserve de réactivité, du déséquilibre axial, des taux de réaction locaux... Ces paramètres dérivés résultent d'un traitement selon des méthodes programmées des mesures réalisées directement sur le réacteur au moyen de nombreux capteurs.
La multiplicité des mesures simultanées et l'interdépendance des phénomènes commandant la marche d'ensemble, rendent particulièrement complexe la détermination de l'incidence d'un changement opéré par les moyens de contrôle. Cette détermination est cependant l'élément essentiel sur lequel repose le pilotage du réacteur.
Le traitement, selon des méthodes programmées, des résultats des mesures qui permet la connaissance en temps réel des paramètres"observables"peut être plus ou moins sophistiqué. Mais la complexité des calculs
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nécessaires pour déterminer l'état final résultant d'une perturbation des conditions de fonctionnement a pour conséquence un temps de traitement des données inadapté au pilotage des réacteurs en temps réel.
La complexité, et donc le temps de traitement, sont d'autant plus importants que le modèle physique servant de base au traitement des données est plus élaboré pour s'approcher le plus possible de la réalité physique.
La complexité est telle que la mise en oeuvre des modèles élaborés n'est pas possible par les moyens de calcul utilisés à l'heure actuelle pour le pilotage des réacteurs. En particulier l'utilisation de modèles tridimensionnels est pratiquement impossible dans les conditions de pilotage utilisées jusqu'à présent.
Il en résulte un pilotage qui ne suit pas au mieux les variations de charge du réseau en respectant les consignes choisies par l'utilisateur pour favoriser certaines conditions de marche préférées, tel que le maintien d'une réserve de réactivité optimale.
L'invention se propose de fournir une technique de pilotage de réacteurs nucléaires, notamment du type à eau pressurisée, qui réponde de façon plus satisfaisante à cet objectif, et ceci sans nécessiter le recours à des moyens de calcul extrêmement puissants.
La technique de pilotage selon l'invention met en oeuvre : - des capteurs pour la mesure des conditions de fonctionnement, - la détermination à partir de ces mesures de grandeurs spécifiques du fonctionnement du réacteur dites observables, - la comparaison des grandeurs ainsi déterminées avec des données préalablement établies pour garantir le fonctionnement du réacteur selon des modalités choisies par l'opérateur,
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- l'élaboration programmée de réponses, à partir du résultat de cette comparaison, - le traitement par des moyens de calcul des réponses établies en fonction des écarts constatés, pour prévoir les conséquences de ces réponses sur l'état final succédant à une telle réponse,
- l'utilisation par les moyens de calcul de la méthode des perturbations généralisées dans laquelle, dans les expressions comportant une expansion polynomiale de
Boltzman, seuls les termes de degré 0 et 1 sont conservés, affectés d'un coefficient qui rend compte de la contribution moyenne des modes supérieurs pour les valeurs asymptotiques des paramètres, - la comparaison de ces prévisions avec les données préalablement établies, et le choix conduisant, parmi les réponses possibles, de celle répondant le mieux aux modalités préalablement sélectionnées.
L'invention résulte de la mise en évidence de ce que, dans l'étape de calcul aboutissant à une prévision de l'état final suivant une perturbation, les contributions des modes supérieurs des expansions polynomiales de Boitzman, qui génèrent les calculs les plus lourds, peuvent être remplacées par de simples coefficients qui, à l'expérience, permettent d'obtenir des résultats sans écart significatif avec ceux des calculs plus complets.
En d'autres termes, l'invention permet d'obtenir dans un temps de traitement bref et avec des moyens de calcul légers, sans perte de précision significative, les prévisions sur le comportement du réacteur en réponse à une modification des conditions de contrôle. Une conséquence de cette amélioration est la possibilité de mettre en oeuvre un pilotage beaucoup plus précis et qui se prête à une meilleure réalisation d'objectifs définis.
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L'opérateur peut en particulier conduire le pilotage du réacteur selon une stratégie optimisée, par exemple sur les marges de sûreté, l'économie des effluents ou la limitation des mouvements des barres de contrôle dans l'idée de minimiser l'usure des mécanismes les commandant.
L'amélioration des moyens dont dispose l'opérateur permet d'utiliser les modèles les plus sophistiqués, en particulier ceux en 3D pour une meilleure représentation des phénomènes concernés. Le traitement d'un modèle 3D accroît considérablement la complexité des calculs, et pour cette raison, est jusqu'à présent exclu des techniques de pilotage effectivement utilisées.
Les modèles utilisés pour la mise en oeuvre de l'invention peuvent faire intervenir plusieurs types de mesures. Il s'agit des mesures effectuées directement sur le réacteur à partir des signaux reçus des capteurs.
Dans la pratique le pilotage comporte nécessairement des mesures de flux neutronique en différents points du réacteur.
D'autres mesures sont avantageusement prises en considération, notamment les températures d'entrée et de sortie, la pression...
S'agissant de la prédiction de situations résultant de modifications contrôlées, il est nécessaire de partir d'un état initial bien défini. Cet état est lui-même connu par les mesures instantanées. Ces mesures sont intégrées à un modèle de type expert préalablement établi.
En régime peu perturbé, le système expert suffit à la conduite du réacteur. Pour une perturbation plus importante, lorsqu'au moins un paramètre mesuré sort d'une plage préétablie, que ce soit du fait de l'opérateur ou automatiquement en réponse à une modification de la charge du réseau, par la technique
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selon l'invention, le système prédit l'évolution du réacteur, établit un diagnostic sur cette situation prédite, et élabore une stratégie de conduite qui permette une évolution répondant mieux aux objectifs choisis.
Le mécanisme de prédiction selon l'invention est particulièrement utile dans le cas de perturbations fréquentes qui rendent inefficace le seul recours à un système expert qui ne peut rendre compte que d'événements espacés dans le temps. Le suivi de charge impose des modifications fréquentes que l'invention permet de traiter de manière satisfaisante.
Ces modifications fréquentes peuvent conduire à terme à une dérive des"conditions initiales" utilisées dans le calcul prédictif nécessitant le recours à un recalage périodique.
Le recalage périodique selon l'invention est avantageusement effectué à partir des mesures des paramètres, en suivant une technique de calcul de minimisation des écarts.
Le calcul conduisant à ce recalage est avantageusement effectué en utilisant aussi une méthode des perturbations généralisées. Cette méthode permet l'identification parmi les différents paramètres internes du modèle, de ceux qui contribuent de manière significative aux écarts qu'il est nécessaire de corriger. Le recalage qui suit peut alors être restreint à ces paramètres, ce qui limite les traitements servant au recalage lui même.
Dans la suite de la description il est fait référence à des exemples établis pour les paramètres observables fondamentaux du réacteur, montrant la fiabilité de la technique selon l'invention utilisant un mode de calcul simplifié par rapport aux résultats de calculs complets.
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Dans l'établissement de la prévision d'un état final suite à une perturbation, l'expression de l'opérateur de Boltzman pour les paramètres observables, utilisée pour cette prévision, montre qu'il est nécessaire de prendre en compte non seulement les termes de degré 0 et 1, mais aussi les termes supérieurs afin d'approcher suffisamment les valeurs asymptotiques. La contribution des termes supérieurs à 0 et 1 à la valeur asymptotique des observables, dépend de la perturbation elle-même. Ces calculs sont effectués pour chaque paramètre et doivent suivre la succession des multiples perturbations aboutissant vite à une extrême complexité.
La technique selon l'invention comprend dans un premier temps la détermination des coefficients qui permettent de s'affranchir des termes de degré supérieur à 0 et 1 dans le calcul des valeurs prévisionnelles des paramètres après perturbation.
Ces coefficients, désignés de manière générale par sont obtenus en effectuant une ou plusieurs déterminations complètes comprenant non seulement les termes d'ordre 0 et l, mais aussi les ordres supérieurs (3,4, 5,...).
Les coefficients ss correspondent à une formule du type :
EMI6.1
dans laquelle 50, 51, et S sont respectivement les valeurs des termes d'ordre 0 et 1 du paramètre, et sa valeur asymptotique.
Les expansions polynomiales de Boltzman étant rapidement convergentes, comme le montrent les exemples qui suivent, la prise en considération des termes 3,4
EMI6.2
ou 5 suffit pour approcher la valeur S La valeur S peut être assimilée à la moyenne des valeurs obtenues en reproduisant plusieurs fois le calcul à partir des situations initiales différentes en
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ne tenant compte que d'un nombre limité de ces termes d'ordre supérieur.
Une fois les coefficients ss déterminés comme il vient d'être dit, ils peuvent être utilisés dans la pratique pour la détermination des valeurs prévisionnelles des états finaux suivant une perturbation des conditions de fonctionnement du réacteur. L'opération équivaut alors à calculer la valeur asymptotique :
EMI7.1
Autrement dit il suffit bien pour cette valeur prévisionnelle de ne calculer que les termes So et SI de l'expansion polynomiale.
La pratique montre que l'usage de cette approximation est parfaitement justifié pour des perturbations dans lesquelles il est nécessaire de tenir compte des ordres supérieurs. Pour les perturbations minimes, les ordres supérieurs n'intervenant pratiquement pas, l'approximation ne joue pas. En pratique le traitement proposé ne sera donc effectué que pour des perturbations dépassant un certain seuil préalablement établi.
Exemples de détermination de valeur d'extrapolation des grandeurs typiques : le déséquilibre axial, la puissance locale en des points choisis, l'anti-réactivité et la réserve de réactivité. Ces exemples conduisent comme indiqué ci-dessus à la détermination des coefficients P.
L'opération est faite sur un modèle de réacteur à eau pressurisée. Le flux de neutrons est le paramètre étudié dans ce modèle. La perturbation initiale correspond à une diminution de la puissance du réacteur. Cette diminution modifie les sections de capture et engendre une modification de réactivité du
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système qui doit être contrôlé par un mouvement des barres d'absorption.
Les tableaux suivants font apparaître le résultat des calculs pour les quatre grandeurs nommées ci-dessus et ceci en allant jusqu'au cinquième ordre.
La détermination selon l'application de la technique de la perturbation généralisée, conduit à une convergence évoluant de manière oscillante. Chaque terme d'ordre croissant introduit une contribution qui est de plus en plus petite.
Au terme du quatrième ou du cinquième ordre l'écart entre la valeur cible et la valeur calculée et extrapolée est très faible, et il est superflu de poursuivre au delà.
EMI8.1
<tb>
<tb>
Déséquilibre <SEP> axial <SEP> Erreur
<tb> Valeur <SEP> de <SEP> référence-0, <SEP> 0231327
<tb> Valeur <SEP> cible-0, <SEP> 040428642, <SEP> 78%
<tb> Ordre <SEP> 1-0, <SEP> 0462136 <SEP> 14,31%
<tb> Ordre <SEP> 2-0, <SEP> 0384415 <SEP> 4,91%
<tb> Ordre <SEP> 3-0, <SEP> 0411215 <SEP> 1,71%
<tb> Ordre <SEP> 4-0, <SEP> 04019210, <SEP> 58%
<tb> Valeur <SEP> extrapolée <SEP> - <SEP> 0, <SEP> 0404988 <SEP> 0, <SEP> 17%
<tb> Puissance <SEP> locale <SEP> Erreur
<tb> Valeur <SEP> de <SEP> référence <SEP> 0,00536841
<tb> Valeur <SEP> cible <SEP> 0, <SEP> 00345967 <SEP> 55, <SEP> 17%
<tb> Ordre <SEP> 1 <SEP> 0,00241041 <SEP> 30,33%
<tb> Ordre <SEP> 2 <SEP> 0,00403218 <SEP> 16,55%
<tb> Ordre <SEP> 3 <SEP> 0,00315063 <SEP> 8,93%
<tb> Ordre <SEP> 4 <SEP> 0, <SEP> 00362505 <SEP> 4, <SEP> 78%
<tb> Valeur <SEP> extrapolée <SEP> 0, <SEP> 00333702 <SEP> 3,
<SEP> 54%
<tb> Anti-réactivité <SEP> Erreur
<tb> Valeur <SEP> de <SEP> référence <SEP> 0
<tb> Valeur <SEP> cible <SEP> 1054
<tb> Ordre <SEP> 1 <SEP> 1690 <SEP> 60,58%
<tb> Ordre <SEP> 2 <SEP> 688 <SEP> 34,64%
<tb> Ordre <SEP> 3 <SEP> 1254 <SEP> 19,12%
<tb> Ordre <SEP> 4 <SEP> 958 <SEP> 8,98%
<tb> Ordre <SEP> 5 <SEP> 1099 <SEP> 4, <SEP> 45%
<tb> Valeur <SEP> extrapolée <SEP> 1046 <SEP> 0, <SEP> 60%
<tb>
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EMI9.1
<tb>
<tb> Réserve <SEP> de <SEP> réactivité <SEP> Erreur
<tb> Valeur <SEP> de <SEP> référence <SEP> 3659
<tb> Valeur <SEP> cible <SEP> 2607 <SEP> 40, <SEP> 53%
<tb> Ordre <SEP> 1 <SEP> 1969 <SEP> 24, <SEP> 47%
<tb> Ordre <SEP> 2 <SEP> 2971 <SEP> 13,99%
<tb> Ordre <SEP> 3 <SEP> 2405 <SEP> 7,72%
<tb> Ordre <SEP> 4 <SEP> 2701 <SEP> 3,63%
<tb> Ordre <SEP> 5 <SEP> 2559 <SEP> 1,
<SEP> SO%
<tb> Valeur <SEP> extrapolée <SEP> 2613 <SEP> 0, <SEP> 27%
<tb>
L'application de la technique selon l'invention, utilisant une formule simplifiée ne comportant que l'usage des termes d'ordre 0 et 1 et du coefficient ss permettant de rendre compte de la contribution des termes d'ordre supérieur, est effectuée pour une série de 30 perturbations correspondant à un domaine de valeur de réactivité allant de 66 à 1153 pcm (1 pcm = 10-5).
Les résultats statistiques de ces déterminations sont reportés dans le tableau suivant qui compare les valeurs des écarts pour les calculs comportant respectivement des termes d'ordre 3, d'ordre 4, et la valeur déterminée selon l'invention.
EMI9.2
<tb>
<tb>
Erreur <SEP> Erreur <SEP> Erreur
<tb> relative <SEP> relative <SEP> relative
<tb> 3e <SEP> ordre <SEP> % <SEP> 4eordre <SEP> % <SEP> selon
<tb> l'invention
<tb> axial <SEP> offset <SEP> 3,06 <SEP> 1,12 <SEP> 1,08
<tb> puissance <SEP> 4,36 <SEP> 2,01 <SEP> 1,79
<tb> locale
<tb> relative
<tb> anti-3, <SEP> 74 <SEP> 1,78 <SEP> 0,79
<tb> réactivité
<tb> réserve <SEP> de <SEP> 0,73 <SEP> 0,40 <SEP> 0,13
<tb> réactivité
<tb>
Les résultats précédents confirment l'efficacité de la prédiction des résultats des perturbations, et par suite, de la conduite du réacteur
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selon la technique de l'invention.
La comparaison des valeurs obtenues en utilisant l'opérateur simplifié comprenant le coefficient ss préalablement déterminé, conduit en effet à des erreurs relatives plus petites que celles que l'on obtient par un traitement beaucoup plus lourd intégrant les termes d'ordre 3 et même d'ordre 4. Le recours à cette technique simplifiée est donc parfaitement adapté à un pilotage qui suive au mieux l'évolution de la charge du réseau tout en satisfaisant aux priorités choisies en terme d'objectif des conditions de marche du réacteur (minimisation des mouvements des barres de contrôle, optimisation des marges de sûreté, etc. ).
En outre cette simplification est telle qu'elle permet d'augmenter le nombre des paramètres suivis tout en utilisant des moyens de calcul relativement légers.