FR2462764A1

FR2462764A1 - Procede de determination de la teneur en combustible fissile du materiau de combustible de reacteurs nucleaires

Info

Publication number: FR2462764A1
Application number: FR7919965A
Authority: FR
Inventors: Satya Prakash Arya; Leonard Nathan Grossman; Frederick Carl Schoenig Jr
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-08-07
Filing date: 1979-08-03
Publication date: 1981-02-13
Also published as: SE7906612L; JPS6058427B2; ES483161A0; DE2926051C2; FR2462764B1; SE450308B; IT7924916A0; GB2033077A; US4229654A; IT1122423B; BE878096A; ES8103444A1; DE2926051A1; GB2033077B; JPS5537992A

Abstract

PROCEDE NECESSITANT UN TEMPS D'EXPLORATION REDUIT. IL COMPREND: 1.LA DETERMINATION D'UN ENSEMBLE DE ZONES SUCCESSIVES DE CE MATERIAU DE COMBUSTIBLE DANS L'ELEMENT DE COMBUSTIBLE; 2.LA DETECTION SUCCESSIVE DE L'EMISSION DE RAYONS GAMMA DU FAIT DE LA DECROISSANCE RADIOACTIVE NATURELLE DE CE MATERIAU DE COMBUSTIBLE DANS CHACUNE DE CES ZONES; 3.L'ANALYSE DES SIGNAUX DE RAYONS GAMMA PROVENANT DE CHACUNE DES ZONES ET LA DETERMINATION D'UN PREMIER COMPTE DE RAYONS GAMMA POUR DES RAYONS GAMMA TOMBANT DANS UN DOMAINE PREDETERMINE D'ENERGIES ATTRIBUABLES PRINCIPALEMENT AU COMBUSTIBLE FISSILE ET LA DETERMINATION D'UN SECOND COMPTE DE RAYONS GAMMA POUR DES RAYONS GAMMA D'UNE ENERGIE SUPERIEURE A CE DOMAINE PREDETERMINE D'ENERGIES, LA DETERMINATION, POUR CHAQUE ZONE, DE L'EPAISSEUR DE LA GAINE, DE LA MASSE VOLUMIQUE DU MATERIAU COMBUSTIBLE, DU POURCENTAGE EN POIDS DE POISON CONSOMMABLE ET LA CORRECTION DES PREMIER ET SECOND COMPTES EN FONCTION DE CES PARAMETRES, LA CORRECTION DU PREMIER COMPTE EN FONCTION DU SECOND COMPTE CORRIGE ET LA DETERMINATION DU POURCENTAGE EN POIDS DE COMBUSTIBLE FISSILE DANS CHAQUE ZONE. APPLICATION AUX REACTEURS NUCLEAIRES.

Description

La présente invention concerne la détermination de la teneur en

combustible fissile du combustible des réacteurs

nucléaires. De tels réacteurs nucléaires sont décrits, par ex-

emple dans "Nuclear Power Engineering"M. M. El-Wakil, McGraw-Hill Book Company, Inc., 1962. Habituellement, on recharge périodiquement les réacteurs nucléaires en combustible avec une quantité excédentaire de

combustible suffisant pour assurer le fonc-

tionnement tout au cours d'un cycle de fonctionnement.

Cette quantité excédentaire de combustible a pour consé-

quance une réactivité excessive, qui nécessite un système de

commande suffisamment élaboré pour que le facteur de multipli-

cation effectif demeure égal à l'unité pendant le fonctionnement du réacteur. Le système de commande comprend généralement des matériaux absorbeurs de neutrons ou des poisons, utilisés pour régler la densité des neutrons par absorption sans fission ou

capture de neutrons. Le système de commande se compose habituel-

lement d'un dispositif mécanique sous la forme d'un ensemble de barres de commande actionnables sélectivement, contenant du

poison, ou autre dispositif analogue que l'on peut intro-

duire ou retirer du coeur si besoin est.

Les combustibles nucléaires comprennent de l'uranium et/ou

du plutonium sous une forme appropriée. Par exemple, le combus-

tible communément utilisé dans les réacteurs nucléaires refroi-

dis et modérés par de l'eau se compose de bioxyde d'uranium (UO2), dans lequel approximativement 0,7% à 5,0% est de 1'U-235

fissile mélangé à de 1'U-238 fertile. Ce combustible nuclé-

aire se présente généralement sous la forme de pastilles frit-

tées contenues dans un long tube de gainage, afin de former un élément combustible ou barreau, comme le montre, par exemple,

le brevet des Etats Unis d'Amérique no 3.378.458. De tels élé-

ments de combustible sont disposés en groupes et supportés dans des assemblages combustibles que l'on peut remplacer séparément

au sein du coeur du réacteur. Un exemple classique d'assemblage-

combustible se trouve dans le brevet des Etats Unis d'Amérique n0 3.689. 358. On connait un procédé pour diminuer les pics de puissance localisés et obtenir la répartition de puissance

souhaitée. Selon ce procédé, on fait varier radialement l'enri-

chissement du combustible, d'élément à élément au sein de l'as-

semblage combustible et axialement tout au long des éléments.

C'est à dire, que l'on peut varier de zone à zone la teneur en combustible fissile le long d'un élément de combustible.

Un autre procédé consiste à inclure dans le coeur de com-

bustible, un poison consommable tel que le gadolinium, qui peut absorber un grand nombre de neutrons mais qui, par l'absorption de neutrons est converti en un isotope d'une faible capacité de réglage (capacité d'absorption des neutrons). L'utilisation de poisons consommables, réduit l'importance du dispositif mécanique

nécessaire et, par une disposition adéquate du poison consomma-

ble, on peut réaliser une meilleure répartition de la puissance.

Il est fréquent d'incorporer de tels poisons consommables aux éléments de combustible, en les mélangeant à des parties

choisies de combustible nucléaire. Comme dans le cas de la te-

neur en combustible fissile, on peut faire varier de zone à zone la teneur en poison consommable le long d'un élément de combustible. Le brevet des Etats Unis d'Amérique n0 3.799.839

illustre un agencement par zone du poison consommable.

Il est souhaitable, à des fins de contrôle de qualité et

d'identification pendant la manutention du combustible nuclé-

aire et au cours des processus de fabrication de l'élément de

combustible et de l'assemblage combustible, de prévoir des pro-

cédés rapides, non destructifs pour déterminer avec précision la teneur, l'enrichissement et l'emplacement du combustible

fissile le long d'un élément de combustible.

Un procédé connu permettant la détermination non restruc-

tive de la concentration en matériau fissile ou de l'enrichis-

sement relatif du matériau de combustible peut être désigné par "exploration passive". Un tel procédé se base sur la détection quantitative des rayons gamma d'énergie caractéristique émis au cours de la décroissance radioactive naturelle d'un matériau

fissile tel que U-235. Ce procédé est analysé par G.H. Morris-

son et Al, dans un article intitulé "Determination of Uranium-

235 gamma Scintillation Spectrometry", dans Analytical Chemistry

vol.29 n0 12, Decembre 1957 pages 1170 et 1771.

Les développements ultérieurs de ce procédé passif d'ex-

ploration pour mesurer l'enrichissement impliquaient une correc-

tion de l'indication de U-235, à partir de la détection des rayons gamma émis par des produits de filiation de U-238. Le procédé et des systèmes utilisant une telle correction sont dé- crits par C.N. Jackson, dans-un article intitulé "Enrichment Tester Materials Evaluation, Août 1966, pages 431-435, ainsi que par J.T. Russell dans le brevet des Etats Unis d'Amérique

n0 3.389.254.

Etant donné que U-235 possède une demi-vie relativement

longue, sa vitesse de désintégration spontanée et consécutive-

ment, son émission de rayons gamma est faible. De ce fait et aussi de par la nature statistique de l'émission des rayons

gamma, les périodes d'exploration nécessaires à la détermina-

tion précise de U-235 selon le procédé passif d'exploration sont malheureusement trop longs pour son utilisation pour la production de combustible, et plus précisément de matériau de combustible d'enrichissement faible. On a remarqué par exemple, que les éléments de combustible de l'ordre de 4,5 mètres de

longueur, contenant du combustible enrichi à 2 ou 3% nécessi-

taient un temps d'exploration de l'ordre de 40 minutes, lorsque l'on utilisait un seul détecteur de rayons gamma pour obtenir

une précision convenable dans la mesure de l'enrichissement.

On peut augmenter l'efficacité (c'est-à-dire réduire le temps d'exploration des éléments de combustible), en utilisant un ensemble de détecteurs de rayons gamma, disposés en série,

adjacents à l'élément de combustible que l'on explore. On ac-

cumule et additionne les comptes des rayons gamma provenant des détecteurs attribuables à chaque segment localisé de l'élément

de combustible, diminuant ainsi le temps d'exploration néces-

saire pour une précision donnée proportionnelle à la racine carrée du nombre de détecteurs utilisés. Dans le brevet des

Etats Unis d'Amérique no 2.717.693, F.T. Holmes montre un agen-

cement d'un ensemble de détecteurs de rayonnements pour classer

le matériau émettant des rayonnements.

Selon un procédé non destructif de détermination simulta-

née de l'enrichissement et de la teneur en matériau fissile du

combustible dit "procédé actif d'exploration", on fait pas-

ser l'élément de combustible devant et au-delà d'un mince

faisceau de neutrons d'énergie choisie, et on détecte le rayon-

nement gamma provenant des parties localisées successives de l'élément résultant de la fission induite par neutrons du maté- riau fissile, tel que U-235. Le compte de rayonnement provenant de chaque partie localisée est une fonction de l'intensité du faisceau d'activation par neutron et de la concentration de U-235 dans la partie localisée. La publication du brevet allemand no 1.923.983 (publié le 20 Novembre 1969) et le brevet des Etats Unis d'Amérique no 3.018.374 décrivent des systèmes

actifs d'analyse de la teneur en matériau fissile.

On a introduit des systèmes d'exploration actifs dans les

installations de fabrication commerciale du combustible nuclé-

aire, de par la précision des déterminations de l'enrichisse-

ment et de la teneur en matériau fissile et de par la vitesse d'exploration avantageuse qu'ils procurent. Cependant, dans

le cas des éléments de combustible contenant un poison consom-

mable mélangé au matériau de combustible, l'activation par neu-

tron ou procédé actif d'exploration ne s'avère pas efficace.

Ces éléments de combustible peuvent avoir un poison consom-

mable tel que le gadolinium,en quantité de l'ordre de 1 à 10 pourcent en poids. De telles quantités de gadolinium rendent la pastille

ou corps de combustible essentiellement. noir aux- neutrons.

C'est-à-dire que les neutrons d'activation sont absorbés par le poison consommable à la surface du corps et ne pénètrent pas suffisamment pour assurer une activation appropriée du matériau fissile. En outre, la variabilité de la concentration en poison

consommable le long du barreau de combustible a tendance à mas-

quer la mesure de -la teneur en combustible fissile.

Les techniques actuelles de contrôle de qualité visant à déterminer l'enrichissement et la teneur en matériau fissile du combustible contenant du gadolinium impliquent la mesure destructive d'échantillons que l'on suppose être représentatifs, et ne sont pas satisfaisantes, car elles ne constituent pas une

mesure directe; sont coûteuses etnécessitent un travail inten-

sif. Par conséquent, il demeure une demande pour des procédés non destructifs et des moyens de déterminer rapidement, avec précision et de façon simultanée, la teneur en matériau fissile l'enrichissement et l'emplacement du matériau de combustible pouvant également contenir des quantités de poison consommable.

Selon le procédé et l'appareil de l'invention, l'explora-

tion d'un élément de combustible s'effectue en faisant passer cet élément, devant et au-delà d'un ou plusieurs détecteurs sensibles aux rayons gamma émis par le matériau de combustible du fait de la décroissance radioactive naturelle. Des impulsions provenant des détecteurs, qui ont des amplitudes proportionnelles à l'énergie des rayons gamma sont appliquéesà des analyseurs de hauteur d'impulsion et séparés en deux voies selon des domaines d'énergie prédéterminés. On compte les impulsions dans chaque voie et l'on stocke les comptes en correspondance avec les zones successives le long de l'élément de combustible. L'une des voies contient le compte de rayons gamma attribuable au matériau fissile (par exemple tC-235), tandis que l'autre voie

contient le compte des rayons gamma (d'énergie différente) attri-

buables principalement aux produits de filiation de U-238.

Des moyens assurent la détermination de la teneur en poison

consommable, (tel que le gadolinium), la masse volumique du ma-

tériEu de combustible et l'épaisseur du gainage de chaque zone et on corrige en conséquence les comptes du matériau fissile et des produits de filiation. On corrige à nouveau les comptes du matériau fissile (U-235) afin d'éliminer l'influence du compte corrigé des produits de filiation de U-238, et l'on détermine à partir de ce compte corrigé de U.235, le pourcentage en poids

d'U-235 dans chaque zone.

On peut déterminer, à partir du pourcentage en poids de U-235, le pourcentage en poids de gadolinium ainsi que la masse volumique du matériau de combustible dans les zones et à partir des volumes des zones, le poids de U-235 dans chacune

de ces zones.

La suite de la description se réfère aux figures annexées

qui représentent respectivement: Figure 1, un exemple d'élément de combustible ayant des

variations zone-à-zone de teneur en poison consommable et d'en-

richissement de combustible axialement le long de cet élément;

Figure 2, un diagramme fonctionnel d'un agencement permet-

tant de mettre en oeuvre le procédé de l'invention; et Figure 3, un tableau de résultats obtenus en testant un

élément de combustible selon le procédé de l'invention.

Afin d'illustrer le problème résolu par cette invention,on a représenté, à la figure 1, un élément de combustible 10, ayant des variationsd'enrichissement du combustible et de teneur en

poison consommable de zone à zone le long de cet élément de com-

bustible. Dans l'exemple illustré, les variations de l'enrichis-

sement'et de la teneur en poison consommable coïncident, c'est-

à-dire, aussi bien l'enrichissement que la teneur en poison consommable sont constants dans toute zone donnée. Tout en étant classique, cet agencement n'est pas une condition nécessaire de

l'invention, c'est-à-dire que l'on pourrait faire varier l'en-

richissement au sein d'une zone de poison consommable ou vice versa.

La figure 2 illustre sous la forme d'un diagramme fonc-

tionnel, un agencement de l'appareillage permettant de mettre en oeuvre le procédé de l'invention, étant entendu que les fonctions de minutage, de commande, de stockage et de calcul

qui y sont illustrés sont normalement exécutés par un disposi-

tif de traitement des données, convenablement programmé, bien

connu dans la technique.

Généralement, un élément de combustible 10 que l'on peut explorer, comprend une colonne de pastilles de combustible

scellées dans un tube de gainage formé d'un alliage de zirco-

nium dont le diamètre extérieur est approximativement de 12,7mm et l'épaisseur de la paroi de l'ordre de 0,80 mm. La longueur de la colonne de combustible est généralement de l'ordre de 3,5 m. L'élément de combustible 10 est entraîné et guidé dans la station d'exploration au moyen, par exemple, d'un ensemble de roues rainurées 12 convenablement disposées, dont l'une

ou plusieurs d'entre elles sont entraînées par un moteur pas-à-

pas 14, lui-même commandé, par un circuit de commande 16 approprié. Le circuit de commande 16 reçoit les signaux de commande d'actionnement C1 à partir d'un système central de

minutage et de commande 18.

On dispose le long du trajet de l'élément de combustible 10, un ensemble de capteurs de position 20 de l'élément de com- bustible qui peuvent être du type photoélectrique infrarouge pulsé connu. (Un exemple de ces dispositifs sont disponibles

auprès de la OPCON Inc., Everett, Washington). Des signaux P1-

Pn provenant des capteurs 20 sont fournis au système de minu-

tage et de commande 18 afin de régler la fréquence du signal de commande C1 du moteur-pas-à-pas et donc la vitesse de passage

de l'élément de combustible dans la station d'exploration.

Selon un mode de fonctionnement, on détermine et on iden-

tifie, à partir des signaux du capteur de position du barreau et de la vitesse prédéterminée de l'élément de combustible, un

ensemble de zones successives de longueur prédéterminée du ma-

tériau de combustible dans l'élément 10, et l'on établit un diagramme d'identification de zone des signaux dans le système de minutage et de commande 18. On peut arbitrairement choisir

les longueurs des zones. Chaque zone peut, par exemple, renfer-

mer plusieurs pastilles de combustible ou chaque zone peut être constituée par la longueur d'une pastille de combustible et dans ce cas on détermine la teneur en combustible fissile de chaque pastille ou encore chaque zone peut être une fraction de la longueur d'une pastille de combustible, dans le cas o l'on souhaite un examen pl-us minutieux de la teneur en combustible fissile. (Un autre mode de détermination de zone reposant sur la répartition du poison consommable dans le combustible sera

décrite ci-après).

Sont également répartis le long du trajet de l'élément de combustible 10: un capteur d'épaisseur de la paroi de gainage 22, un capteur de la masse volumique du matériau de combustible

24, un capteur de la teneur en poison consommable 26 et un en-

semble de détecteurs de rayons gamma 24 (1) - 24 (n).

Le capteur d'épaisseur de la paroi de gainage 22 peut être de n'importe quel type approprié, à savoir par exemple, un système à onde ultrasonique, qui détermine l'épaisseur de la paroi en détectant l'intervalle de temps écoulé entre des réflexions d'onde provenant des surfaces externe et interne des gainages. Ces dispositifs sont disponibles auprès de Sonic Instrument Inc., Trenton, New Jersey.) Il est préférable de numéraliser les signaux provenant du capteur d'épaisseur de paroi 22 (s'ils ne sont pas déjà sous une

forme numérique) au moyen d'un convertisseur analogique-numéri-

que 30 et de les stocker zone par zone pour une utilisation

ultérieure dans une unité de stockage 32, l'information d'iden-

tification de zone étant fournie par le système de commande 18 par l'intermédiaire d'une connexion C2. (Bien que représentée comme une connexion unique, il faut entendre que les connexions C -Cnreliant le système de commande 18 aux autres éléments du système assurent le nombre de trajets des signaux de minutage,

de commande et d'information, nécessaires dans chaque cas).

De préférence, on relève les lectures d'épaisseur de paroi à partir du capteur 22, placé sous la commande-des signaux d'horloge périodiques provenant du-circuit de commande 18 (par exemple à 5 mm de distance le long de l'élément de combustible) et l'unité de stockage 32 possède des moyens de traiter ces signaux d'épaisseur de paroi afin de déterminer l'épaisseur moyenne de la paroi le long de chaque zone, en stockant les signaux représentatifs de l'épaisseur moyenne de la paroi de

chaque zone pour une utilisation ultérieure.

Le capteur 24 de masse volumique du matériau de combustible peut être un agencement de densitomètrie de rayons gamma, se

composant d'une source appropriée de rayons gamma et d'un détec-

teur de rayons gamma, placés sur des côtés opposés de l'élément de combustible - le faisceau de rayons gamma est affaibli lors

de son passage à travers l'élément de combustible, proportion-

nellement à la masse volumique du matériau de combustible et, par conséquent, le signal de sortie provenant du détecteur de

rayons gamma, de façon monotone, à la masse volumique du maté-

riau de combustible.

Les signaux provenant du capteur de la masse volumique 24

sont de préférence numéralisés par un convertisseur analogique-

numérique 34 et stockés zone par zone pour une utilisation

ultérieure dans une unité de stockage 36, l'information d'iden-

tification de zone provenant du système de commande 18 par

l'intermédiaire d'une connexion C3.

Il est préférable de relever les lectures de densité du matériau de combustible à partir du capteur 24, placé sous la commande des signaux d'horloge périodiques provenant du circuit

de commande 18 (par exemple à 5 mm de distance de long de l'élé-

ment de combustible) et l'unité de stockage 36 possède les moyens d'établir une moyenne des signaux en stockant les signaux représentatifs de la masse volumique moyenne du matériau de

combustible dans chaque zone, pour une utilisation ultérieure.

Le capteur de teneur en poison consommable 26 peut être du type magnétique, dans lequel on détermine les quantités et la répartition du poison consommable- paramagnétique tel que le

gadolinium à partir des variations de la susceptibilité para-

magnétique, lors du passage de l'élément de combustible dans

un champ magnétique.

On préfère numéraliser les signaux provenant du capteur

de poison consommable 26 par un convertisseur analogique numé-

rique 38 et on détermine la teneur moyenne en poison consommable dans chaque zone que l'on stocke pour une utilisation ultérieure

dans une unité de stockage appropriée 40.

Les détecteurs de rayons gamma permettant de détecter les rayons gamma émis par le matériau de combustible du fait de la décroissance radioactive naturelle sont illustrés à la figure 2 sous la forme des capteurs 42(1)-42(n). Les capteurs de

rayons gamma 42(1)-42(n) sont de préférence du type scintil-

lateur, composé par exemple, de lames de matériau scintilla-

teur tel que l'iodure de sodium d'une épaisseur de l'ordre de 1,3 cm et d'un diamètre extérieur de l'ordre de 4 cm, pourvu d'un trou central permettant le passage de l'élément de combustible 10. On couple les lames du scintillateur aux tubes photomultiplicateurs pour détecter les scintillations et les convertir en impulsions électriques. Les détecteurs peuvent être à l'état solide tel que le germanium traité au

lithium ou le germanium intrinsèque. Les détecteurs 42(1)-

42(n) comprennent également les préamplificateurs et les conformateurs d'impulsions nécessaires. De tels détecteurs et autres aspects variés de la détection et de la mesure de rayonnement sont décrits par exemple par W.J.Price dans "Nuclear

Radiation Detection" Mc Graw Hill Book Company, 1964.

On fournit les signaux provenant de chacun des détecteurs 42 (1) - 42 (n) en parallèle respectivement à deux analyseurs à voie unique 44 et 44', afin de séparer en deux groupes les impulsions provenant des détecteurs, à savoir d'une part les impulsions résultant des rayons gamma dont l'énergie correspond au pic d'énergie caractéristique du matériau fissile et d'autre part les impulsions résultant des rayons gamma, dont

l'énergie est supérieure à un tel pic d'énergie caractéristique.

Ainsi, les analyseurs 44 et 44' sont par essence, des cir-

cuits amplificateurs avec des seuils d'entrée supérieur et inférieur, grâce à quoi la réponse du circuit est limitée à la gamme d'amplitude prédéterminée ou "fenêtre", déterminée par les réglages des seuils. Ces analyseurs bien connus sont décrits par exemple dans le brevet des Etats Unis d'Amérique no 3.114.835 et sont tenus à disposition pour usage commercial à Tennelec Instrument Company, Inc., Oak Ridge, Tennesee sous le modèle

d'analyseur TC 214.

Selon cette invention comme matériau fissile U-235, on règle les analyseurs 44 pour qu'ils répondent aux impulsions des détecteurs, résultants des rayons gamma, dont l'énergie est approximativement de l'ordre de 155-220 keV pour inclure ainsi le pic de 184 keV, caractéristique de U-235. On règle les

analyseurs 44' pour répondre aux impulsions des détecteurs ré-

sultants de rayons gamma, dont l'énergie est approximativement

de l'ordre de 245-1190 keV dues aux produits de filiation ra-

dioactifs de U-238, permettant de dévélopper un compte de

correction des produits de filiation de U-238.

On applique les signaux impulsionnels de sortie des ana-

lyseurs 44 et 44' respectivement aux compteurs d'impulsions 46 et 46' o sont accumulés les comptes des impulsions. Sous la commande des impulsions d'horloge provenant du circuit de commande 18 et transmis par les connexions C5, les comptes dans les compteurs 45 et 46' sont périodiquement (par exemple

toutes les 300 ms) appliqués aux unités de stockage et d'accu-

mulation respectives 48 et 48' et les compteurs 46 et 46' sont

remis à zéro.

Les unités de stockage et d'accumulation 48 et 48' reçoi-

vent par l'intermédiaire des connexions C6 l'information d'iden-

tification de zone provenant du circuit de commande 18, de sorte que les comptes de U-235 provenant du compteur 46 sont reçus et stockés zone par zone dans l'unité 48 et les comptes de produits de filiation de U-238 sont reçus et stockés zone par zone dans l'unité 48'. Comme chacun des détecteurs multiples 42(1) - 42(n) disposés en série explore successivement chacune

des zones de matériau de combustible, on accumule dans les uni-

tés de stockage et d'accumulation 48 et 48' les comptes des produits de filiation de U-235 et de U-238 provenant de chacun des détecteurs pour chacune des zones. Ainsi,une fois achevée l'exploration de l'élément de combustible 10, les unités 48 et 48' auront accumulé les comptes des produits de filiation de U-235 et de U-238 pour chacune des-zones à partir de chacun

des détecteurs 42(1) - 42(n).

Comme mentionné ci-dessus, l'utilisation de détecteurs multiples et l'accumulation de comptes qui en proviennent pour diminuer le temps d'exploration est décrite dans le brevet des

Etats Unis d'Amérique no 2.717.693.

Une fois achevée l'exploration de l'élément de combustible par les détecteurs 42(1) - 42(n), ainsi que l'accumulation et le stockage des comptes des produits de filiation de U-235 et de U-238 dans les unités 48 et 48', on effectue une série de

corrections à savoir celle des comptes des produits de filia-

tion de U-235 et de U-238 quant à l'épaisseur de la paroi de gainage, la masse volumique du matériau de combustible et la

teneur en poison consommable, ainsi qu'une correction supplé-

mentaire du compte de U-235 par le compte corrigé des produits de filiation de U-238. Ces fonctions de correction peuvent s'effectuer à l'aide de moyens de traitement de données bien connus illustrés à la figure 2, comme étant des circuits de

fonction 50, 50', 52', 54, 54', 56. Les connexions C7-C1o pro-

venant du circuit de commande et de minutage 18 fournissent

des signaux de commande appropriés aux circuits de fonction.

Pour les corrections des comptes des produits de filiation de U-235 et de U-238 en ce qui concerne l'épaisseur de la paroi,la masse volumique et la teneur en poison consommable, on préconise l'utilisation de valeurs proportionnelles à la déviation de ces quantités par rapport à leurs valeurs initiales d'étude représentées à la figure 2 sous forme des signaux d'entrée dw, dd et dp respectivement appliqués aux circuits de fonction

er 50', 52 et 52', 54 et 54'.

Les signaux de déviation dw., dd et dp sont fournis de la façon suivante: on introduit et on stocke les valeurs initiales d'étude de l'épaisseur de la paroi de gainage, de la masse volumique du matériau de combustible et de la teneur en poison consommable dans l'unité de stockage 58.Lorsque ces valeurs sont

mesurées et stockées de l'épaisseur de la paroi, la masse vo-

lumique et de la teneur en poison consommable des unités de stockage 32, 36 et 40, elles sont appliquées, en même temps que des valeurs initiales d'étude correspondantes qui

proviennent de l'unité de stockage 58, aux circuits de comparai-

son respectifs tels que les amplificateurs différentiels 60, 62 et 64, de manière à fournir les signaux de déviation dw, dd et dp.

Le processus de correction des comptes des produits de fi-

liation de U-235 et de U-238 se déroule de la façon suivante:on prélève les comptes des produits de filiation de U-235 et de U-238 des unités de stockage zone par zone et, en parallèle; on désigne par le signal de compte Ar le compte non corrigé de U-235 et par le signal de compte Br, le compte non corrigé des

produits de filiation de U-238.

Le compte Ar et le signal dw sont appliqués au circuit de fonction 50, qui produit un signal de compte de sortie Aw selon la relation suivante: AR (1) Aw = dans laquelle K1dw ekld Aw représente le compte corrigé de U- 235 pour l'épaisseur de

la paroi de gainage.

Ar représente le compte non corrigé de U-235.

e est la base du système naturel des logarithmes.

dw représente la déviation de l'épaisseur de la paroi par rapport à la valeur initiale d'étude, et

K 1 est une constante de correction d'épaisseur de la paroi.

(Notons que l'on donnera ultérieurement une définition plusprécise des constantes K1- Kil).

On applique le compte Br et le signal dw au circuit de fonction 50', qui produit un signal de compte de sortie Bw selon la relation suivante (2) Bw = Br dans laquelle K4 dw eK4d

Bw représente le compte de produit de filiation de U-238 cor-

rigé pour l'épaisseur de la paroi de gainage.

Br représente le compte de produit de filiation de U-238 et

K4 est une constante de correction de l'épaisseur de la paroi.

On applique le compte Aw et le signal dd au circuit de fonction 52 qui produit un signal de compte de sortie Awd, selon la relation suivante: Aw (3) Awd = dans laquelle l+K2dd Awad représente le compte de U-235 corrigé pour l'épaisseur de la paroi de gainage et la masse volumique du matériau de

combustible.

dd représente ladéviation de la masse volumique du matériau de combustible par rapport à la valeur initiale d'étude et K2 est une constante de correction de la masse volumique. On applique le compte Bw et le signal dd au circuit de fonction 52' qui produit un signal de compte de sortie Bwd selon la relation suivante: (4) Bw Bwd = dans laquelle l+K5dd Bwd représente le compte du produit de filiation de U-238 corrigé, pour l'épaisseur de la paroi de gainage, et la masse volumique du matériau de combustible, et K5 est une constante

de correction de la masse volumique.

On applique le compte Awd et le signal dp au circuit de fonction 54 qui produit un signal de compte de sortie Awdp selon la relation suivante: (5) Awd Awdp = dans laquelle 1+K3dp Awdp représente le compte de U-235 corrigé en ce qui concerne l'épaisseur de la paroi de gainage, la masse volumique du matériau de combustible et la teneur en poison consommable, dp représente la déviation de la teneur en poison consommable par rapport à la valeur initiale d'étude, et K3 est une constante de correction de la teneur en poison

consommable.

On applique le compte Bwd et le signal dp au circuit de fonction 54' qui produit un signal de compte de sortie selon la relation suivante: (6) Bwd Bwdp = dans laquelle 1+K6dp Bwdp représente le compte de produit de filiation de U-238 corrigé en ce qui concerne l'épaisseur de la paroi de gainage, la masse volumique du matériau de comubustible et la teneur en poison consommable, et K6 est une constante de correction de la teneur en poison consommable. On applique les comptes Awdp et Bwdp au circuit de fonction 56 qui produit un signal de compte de sortie Ac selon la relation suivante (7) Ac = Awdp - K7Bwdp dans laquelle Ac représente le compte finalement corrigé des rayons gamma de U-235 et K7 est une constante de correction du compte des produits de

filiation de U-238.

On prévoit deux circuits de fonction supplémentaires. Un circuit de fonction 66 convertit le compte finalement corrigé AC de U-235 en un signal Aet indiquant l'enrichissement en U-235 (par exemple le pourcentage en poids de U-235) dans chaque zone, tandis qu'un circuit de fonction 68 détermine le poids de U-235

*zone par zone.

Ainsi, le circuit de fonction 66 reçoit le signal Ac du compte corrigé de U-235 (ainsi que les signaux de commande et de position de zone par l'intermédiaire de C l) et produit un signal de sortie A eselon la relation suivante (8) Ae = K8Ac + K9 dans laquelle

Ae représente l'enrichissement moyen dans la zone en pour-

centage pondéral, et

K8 et Kg sont des constantes d'étalonnage de l'enrichissement.

On peut utiliser le signal d'enrichissement Ae comme un

signal de sortie utile du système.

On détermine le poids de U-235 dans chaque zone à partir des pourcentages en poids de U-235, du poison consommable dans

la zone de la masse volumique et du volume de chaque zone.

Dans le cas habituel de production, on règle soigneusement le diamètre des pastilles de combustible et on peut alors le

considérer comme constant.

Ainsi, le circuit de fonction 68 reçoit le signal d'enri-

chissement Ae de U-235 et les signaux dm, pw et Lz provenant respectivement des unités de stockage 36 et 40 et du circuit de commande 18, et il produit le signal de sortie Awt selon la relation suivante: (a) Awt = K10 Ae dm Lz (1-0,01 Pw) (10,95 - 0,034 Pw) + Kil dans laquelle Awt représente le poids de U-235 dans la zone dm représente la masse volumique mesurée du matériau de combustible dans la zone en pourcentage de la masse volumique théorique, Lz représente la longueur mesurée de la zone,

2462Z64

Pw représente le pourcentage en poids de poison consommable dans la zone, K10 est une constante de conversion, K est une constante qui rend compte de l'écart des mesures par rapport aux normes certifiées. Le terme 0,01 est un facteur de conversion du pourcentage en

poids en fraction pondérale.

Le terme 10,95 représente la masse volumique théorique des pastilles du combustible U02 en g/cm3 sans poison consommable et,

Le terme 0,34 représente la variation de la masse volumi-

que des pastilles du fait de l'ajout d'un pourcent de la teneur

en poison consommable.

Dans le cas oh l'on choisit les longueurs des zones devant être uniformes, le signal Lz de la longueur de zone est alors

une constante. Cependant, on préconise pour certaines applica-

tions l'utilisation de longueurs variables de zones, dans le cas par exemple d'agencements de l'élément de combustible, comme à la figure 1. Dans cet exemple, les valeurs originelles d'étude de l'enrichissement du combustible et la teneur en poison consommable sont uniformes tout au long de chaque zone

du poison consommable, mais aussi bien l'enrichissement du com-

bustible que la teneur en poison consommable varient de zone à zone. Dans ce cas, on peut déterminer les longueurs variables de zones contenant du poison consommable, en utilisant le capteur de poison consommable 26 et le circuit de commande et de minutage 18 et les utiliser en tant que longueurs de zone Lz dans la méthode de cette invention visant à déterminer la teneur en matériau fissile, voir figure 2. Dans ce cas, on détermine les longueurs de zone à partir des variations du signal de poison consommable aux interfaces entre les zones. C'est à dire que le signal bp provenant du capteur de poison consommable 26 est appliqué au circuit de commande et de minutage 18 et l'on se

sert des variations du niveau du signal bp (ainsi que des si-

gnaux de position de l'élément de combustible Pl-Pn) pour dé-

velopper les signaux d'identification de zone et de longueur

de zone Lz.

On définit plus précisément les constantes Kl-Kil exposées dans les relations précédentes (1)-(9) comme suit: K1 représente le coefficient de dépendance exponentielle des comptesobservés de U-235 en fonction de l'épaisseur de la paroi; On peut déterminer K1 en calculant les comptes des rayons gamma de U-235 de longue durée de combustible vieilli de deux éléments de différente épaisseur de paroi, en substituant les comptes dans la relation (1) et en résolvant

pour K1.

K2 est une constante de correction de la masse volumique des comptes de U235 et représente la variation fractionnelle des comptes corrigés de U235 pour une variation de masse

volumique en pourcentage unitaire. On obtient K2 en calcu-

lant le compte de rayons gamma de combustible vieilli d'une teneur donnée en poison consommable mais dont les masses volumiques dans les éléments d'une épaisseur de gainage connue sont de deux sortes, en substituant les comptes dans

la relation (3) et en résolvant pour K2.

K3 est une constante de correction de poison consommable des comptes de U235, qui représente la variation fractionnelle

des comptes corrigés de U-235 pour une variation de la te-

neur en poison consommable en pourcentage unitaire. On obtient K3 en calculant le compte de rayons gamma de deux éléments d'une épaisseur de gainage donnée, contenant du combustible vieilli, d'une masse volumique donnée mais dont

la teneur en poison consommable est différente, en substi-

tuant les comptes dans la relation (5) et en résolvant pour K3. K4 représente le coefficient de dépendance exponentielle des comptes observés de U-238 en ce qui concerne l'épaisseur de

gainage. On détermine K4 en calculant les comptes des ra-

yons gamma de U-235 de longue durée de combustible vieilli, dans deux éléments d'une épaisseur de gainage différente et connue, en substituant les comptes dans la relation (2) et

en résolvant K4.

K5 est une constante de correction de la masse volumique des comptes de U238 et représente la variation fractionnelle des comptes corrigés de U238 pour une variation de la masse volumique en pourcentage unitaire. On obtient K5 en calculant le compte de rayons gamma de combustible vieilli d'une teneur en poison consommable donnée mais dont les éléments d'une épaisseur de gainage donné ont deux masses volumiques différentes et connues, en substituant

les comptes dans la relation (4) et en résolvant pour K5.

*6 est une constante de correction du poison consommable des

comptes de U-238 qui représente la variation fractionnel-

le des comptes corrigés de U-238 pour une variation de

la teneur en poison consommable en pourcentage unitaire.

On obtient K6 en calculant le compte de rayons gamma de

deux éléments d'une épaisseur de gainage donnée, conte-

nant du combustible vieilli d'une masse volumique donnée mais dont la teneur en poison consommable est différente et connue, en substituant les comptes dans la relation. (6)

et en résolvant pour K6.

K est la constante de correction des comptes des produits de filiation de U-238. Elle représente la fraction des comptes corrigés de U-238 qu'il faut soustraire des comptes corrigés de U-235 pour obtenir les comptes nets

A. du seul fait de la décroissance de U-235. On peut dé-

terminer K7 en mesurant les comptes corrigés Awdp et Bwdp de U-235 et de U-238 (à partir des relations (5) et

(6) pour les roues de combustibles d'enrichissement iden-

tique et connu mais de deux âges différents. (par âge on

entend le temps écoulé depuis le dernier traitement chi-

mique de l'uranium, o l'on sépare les produits de filia-

tion de U-238,Th et Pu,du matériau).

Alors: K = Awdp(2) - Awdp (1) 7 Bwdp(2) - Bwdp (1)

On détermine les constantes d'étalonnage de l'enrichis-

sement, K8 et K. en calculant le compte de rayons gamma des zones de l'élément de combustible dont la masse volumique du matériau de combustible, l'épaisseur de la paroi de gainage et la teneur en poison consommable sont identiques et connues mais dont les enrichissements sont différents et connus. On substitue dans la relation 8 les comptes qui en résultent en choisissant itérativement les valeurs de K8 et Kg, jusqu'à ce que la différence entre l'enrichissement moyen mesuré Ae

et l'enrichissement moyen connu soit minimum.

K10 est une constante de conversion qui convertit les unités

de mesure en grammes. On l'obtient en mesurant les élé-

ments normalisés d'étalonnage de poids, de masse volumi-

ques, de teneur en poison consommable, d'enrichissement

et de longueur connus de U-235.

K est une constante d'agencement des matériaux nucléaires Elle est déterminée en comparant les valeurs mesurées

du poids de U-235 des éléments normalisés de valeurs con-

nues. On fait cette comparaison sur une période de temps relativement longue <(par exemple une semaine) et cette constante vise à réduire tout écart à long terme dans la

mesure du poids de U-235.

Dans une utilisation type du procédé, de la présente in-

vention, l'élément de combustible était gainé avec un tube d'un alliage de zirconium, dont le diamètre extérieur était

approximativement de 1,3 cm et l'épaisseur de la paroi d'envi-

ron 0,8 mm, renfermant une colonne de pastilles de combustible d'environ 3,5 m de longueur. On répartissait le combustible en 7 zones dans l'élément de combustible dont la longueur,

l'enrichissement et la teneur en gadolinium étaient différents.

On faisait passer l'élément de combustible deyant et au-delà

des détecteurs de rayons gamma à une vitesse de 0,46 m/min.

et on relevait les lectures à partir des compteurs d'impulsions avec un taux d'échantillonnage de l'ordre de 3 échantillons par

seconde. Les résultats d'une exploration de cet élément de com-

bustible sont représentés àla figure 3. On évaluait à plus ou moins 0,4 pourcent (déviation standard unique) la précision de

la détermination de la teneur en U-235 de l'élément de combus-

tible.

Bien que la description de cette invention concernait la

mise en application particulière du procédé avec un agencement illustré pour son exécution, on a pu opérer des variations

au sein même du cadre de cette invention. Il n'est pas néces-

saire par exemple d'attendre la fin de l'exploration de l'élé-

ment de combustible pour corriger et traiter les signaux pro-

venant des détecteurs de rayons gamma; cette opération peut

en effet commencer dès que le dernier détecteur a achevé l'ex-

ploration de la première zone.

Attendu que l'on peut capter l'épaisseur de la paroi de gainage, la masse volumique du matériau de combustible ainsi que la teneur en poison consommable à une vitesse d'exploration considérablement plus élevée (de l'ordre de deux à quatre fois plus vite) que la vitesse d'exploration des rayons gamma, il est préférable de placer le capteur d'épaisseur de la paroi 22, le capteur de masse volumique 24 et le capteur de teneur en poison consommable 26 en des endroits d'exploration distincts, et de réaliser des stations multiples d'exploration de rayons

gamma afin d'augmenter l'efficacité du système dans son ensemble.

Attendu que la précision de détermination de U-235 est une fonction de l'enrichissement et de la vitesse d'exploration, on peut envisager de faire varier zone par zone la vitesse

d'exploration des rayons gamma en rapport avec les enrichisse-

ments de la zone. Non seulement ceci augmenterait l'efficacité mais fournirait la même précision de détermination de U-235

pour chaque zone.

On peut également prévoir des moyens pour détecter des pastilles hors normes à l'intérieur d'une zone (par exemple, des pastilles d'enrichissement impropre) en comparant les comptes de rayons gamma de U235 de périodes d'échantillonnage

successives et en détectant des variations d'amplitude prédé-

terminées.

Tandis que la figure 2 illustre les moyens de mettre en oeuvre le procédé de l'invention sous la forme d'un diagramme fonctionnel, il est évident que l'on peut réaliser ces fonctions,

par divers moyens bien connus, tel qu'un dispositif de traite-

ment des données programmé à cet effet.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S

1. Procédé de détermination de la teneur en combustible fissile du combustible nucléaire d'un élément de combustible, qui peut également renfermer un poison consommable mélangé à des parties choisies de combustible, cet élément de combus- tible comprenant un long tube de gainage contenant le matériau de combustible, procédé caractérisé en ce qu'il comprend: (1) la détermination d'un ensemble de zones successives de ce matériau de combustible dans l'élément de combustible;

(2) la détection successive de l'émission de rayons gam-

ma du fait de la décroissance radioactive naturelle de ce ma-

tériau de combustible, dans chacune de ces zones; (3) l'analyse des signaux des rayons gamma provenant de chacune des zones et la détermination d'un premier compte de rayons gamma pour des rayons gamma tombant dans un domaine

prédéterminé d'énergies, attribuables principalement au com-

bustible fissile et la détermination d'un second compte de rayons gamma pour des rayons gamma d'une énergie supérieure à ce domaine prédéterminé d'énergies; (4) la détermination, pour chaque zone, de l'épaisseur du gainage adjacent à la zone; (5) la correction de ces premier et second comptes de rayons gamma en accord avec l'épaisseur du gainage adjacent à chaque zone; (6) la détermination de la masse volumique du matériau de combustible dans chaque zone; (7) la correction ultérieure de ces premier et second comptes de rayons gamma en accord avec la masse volumique du matériau combustible dans la zone; (8) la détermination du pourcentage en poids de poison consommable dans chacune des zones; (9) la correction ultérieure de ces premier et second comptes de rayons gamma pour chaque zone en accord avec le pourcentage en poids de poison consommable dans la zone; (10) la correction ultérieure de ce premier compte de rayons gamma en accord avec le second compte corrigé de rayons gamme; et

(11) la détermination du pourcentage en poids du combus-

tible fissile dans chaque zone, à partir du premier compte

de rayons gamma ainsi corrigé.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre la détermination, à partir du pourcen- tage en poids de combustible fissile, du pourcentage en poids de poison consommable et de la masse volumique du matériau de combustible dans les zones et à partir des volumes de matériau de combustible dans ces zones, du poids du matériau fissile

dans chacune de ces zones.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les zones sont déterminées à partir de la répartition

du poison consommable le long de l'élément de combustible.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à

3, caractérisé en ce que le combustible fissile est U-255 et

le combustible nucléaire est de l'uranium.

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce

qu'il comprend en outre la détermination, à partir du pourcen-

tage en poids de U-235 de la teneur en poison consommable et de la masse volumique du matériau de combustible dans les zones, et à partir des volumes de ce matériau de combustible

dans les zones, du poids de U-235 dans chacune des zones.

6. Procédé pour déterminer la teneur en U-235 de combus-

tible d'uranium dans un élément de combustible pouvant égale-

ment contenir du gadolinium, en tant que poison consommable mélangé à des parties choisies du combustible, cet élément de combustible comprenant un long tube de gainage renfermant le

matériau de combustible, procédé caractérisé en ce qu'il com-

prend: (a) la détermination d'un ensemble de zones successives

de ce matériau de combustible le long de l'élément de combus-

tible; (b) la détection de l'émission de rayons gamma du fait de

la décroissance radioactive naturelle de ce matériau de com-

bustible dans chacune des zones successives (c) l'analyse des signaux de rayons gamma provenant de chacune des zones et la détermination d'un premier compte de rayons gamma des rayons gamma d'une énergie tombant dans le domaine de 155 à 220 keV et la détermination d'un second compte de rayons gamma des rayons gamma d'une énergie tombant dans le domaine de 235 à 1190 keV environ; d) la détermination, pour chaque zone, de l'épaisseur du

gainage pour la zone; -

e) la correction du premier compte de rayons gamma selon la formule: Ar Aw - K.dw dans laquelle

Aw est le premier compte corrigé, en ce qui concerne l'épais-

seur de la paroi de gainage.

Ar est le premier compte non corrigé, e est la base du système naturel des logarithmes dw représente la déviation de l'épaisseur de la paroi par rapport à la valeur originelle d'étude, et K1 est une constante de correction de l'épaisseur de la paroi; f) la correction du second compte de rayons gamma selon la formule: Br Bw = K dw dans laquelle e 4 Bw représente le second compte corrigé en ce qui concerne

l'épaisseur de la paroi de gainage.

Br représente le second compte non corrigé et K4 est une constante de correction de l'épaisseur de la paroi; f) la détermination de la masse volumique du matériau de combustible dans chaque zone; g) la correction ultérieure du premier compte de rayon gamme selon la formule: Aw Awd = 1+ K2dd dans laquelle

Awd est le premier compte corrigé, en ce qui concerne l'épais-

seur de la paroi de gainage et la masse volumique du maté-

riau de combustible, dd représente la déviation de la masse volumique du matériau de combustible par rapport à la valeur originelle d'étude, et K2 est une constante de correction de la masse volumique; h) la correction ultérieure de ce second compte de rayons gamma selon la formule: Bw Bwd = 1+K dd s dans laquelle

Bwd est le second compte corrigé, en ce qui concerne l'épais-

seur de la paroi de gainage et la masse volumique du maté-

riau de combustible, et K5 est une constante de correction de la masse volumique;

i) la détermination de la teneur en gadolinium dans cha-

cune des zones; j) la correction ultérieure de ce premier compte de rayons gamma selon la formule: Awd Awdp = 1+K3dP dans laquelle

Awdp est le premier compte corrigé, en ce qui concerne l'épais-

seur de la paroi de gainage, la masse volumique du maté-

riau de combustible et la teneur en gadolinium.

dp représente la déviation de la teneur en gadolinium par rapport à la valeur originelle d'étude, et

K3 est une constante de correction de la teneur en gadolinium.

k) la correction ultérieure de ce second compte de rayons gamma selon la relation: Bwd Bwdp = 1+K-dp dans laquelle

Bwdp est le second compte corrigé en ce qui concerne l'épais-

seur de la paroi de gainage, la masse volumique du maté-

riau de combustible et la teneur en gadolinium, et K6 est une constante de correction de la teneur en gadolinium; et 1) la correction ultérieure de ce premier compte de rayons gamma selon la relation Ac = Awdp - K7Bwdp dans laquelle

Ac est le premier compte de rayons gamma définitive-

ment corrigé et 246Ä764 K7 est une constante de correction associée au second

compte de rayons gamma.

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre la détermination de l'enrichissement en U-235 dans chaque zone selon la relation Ac = K8A c+K9 dans laquelle Ac représente l'enrichissement moyen dans la zone en pourcentage pondéral et

K8 et Kg sont des constantes d'étalonnage de l'enri-

chissement.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre la détermination du poids de U-235 dans chaque zone, selon la relation: Awt: K10 Ae dm Lz (1-0,01 Pw) (10,95-0,034 Pw) + K dans laquelle Awt est le poids de U-235 dans la zone, dm représente la masse volumique mesurée du matériau de combustible dans la zone en pourcentage de la masse volumique théorique, Lz est la longueur de la zone, Pw est le pourcentage en poids de gadolinium dans la zone, K10 est une constante de conversion,

Kil est une constante qui rend compte de l'écart des me-

sures par rapport aux normes connues; Le terme 0,01 est un facteur de conversion du pourcentage en poids en fraction pondérale; Le terme 10,95 représente la masse volumique des pastilles de combustible sans poison consommable, et le terme 0,034 représente la variation de la masse volumique des pastilles du

fait de la teneur en pourcent en poison consommable.

9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que les longueurs des zones sont déterminées à partir des variations de la teneur en gadolinium le long de l'élément combustible.