FR3119890A1 - Device for characterizing a pool of corium formed or being formed in a nuclear reactor - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un dispositif de caractérisation (1) des propriétés géométriques et/ou physiques d’un bain de corium (4) formé ou en cours de formation dans un réacteur nucléaire, lesdites propriétés étant variables dans le temps et/ou dans l’espace, ledit dispositif s’étendant selon une direction longitudinale (Z) et comprenant :- un inducteur (12) apte à appliquer un champ magnétique à l’ensemble du corium (4) à caractériser, ledit inducteur comprenant au moins deux bobines (12111, 12121) configurées pour être enroulées autour dudit corium et empilées l’une au-dessous de l’autre selon la direction longitudinale (Z) ;- au moins un capteur (11) apte à mesurer une densité de flux magnétique, ledit au moins un capteur étant disposé entre (4) à caractériser et les bobines. L’invention concerne également un système comprenant un dispositif de caractérisation (1) et un dispositif d’expérimentation comprenant un contenant (3) apte à contenir un corium (4) à caractériser dans le temps et/ou dans l’espace. Figure pour l’abrégé : Fig. 1The invention relates to a device for characterizing (1) the geometric and/or physical properties of a corium pool (4) formed or being formed in a nuclear reactor, said properties being variable over time and/or over time. space, said device extending in a longitudinal direction (Z) and comprising:- an inductor (12) capable of applying a magnetic field to all of the corium (4) to be characterized, said inductor comprising at least two coils ( 12111, 12121) configured to be wound around said corium and stacked one below the other in the longitudinal direction (Z);- at least one sensor (11) able to measure a magnetic flux density, said least one sensor being disposed between (4) to be characterized and the coils. The invention also relates to a system comprising a characterization device (1) and an experimentation device comprising a container (3) capable of containing a corium (4) to be characterized in time and/or in space. Figure for the abstract: Fig. 1
Description
Domaine technique de l’inventionTechnical field of the invention
L’invention se situe dans le domaine de la caractérisation d’un bain de corium formé ou en cours de formation dans un réacteur nucléaire. L’invention vise particulièrement à caractériser le phénomène qui peut survenir en cas d’accident grave de réacteur nucléaire et de fusion du cœur dudit réacteur nucléaire et qui forme un corium.The invention lies in the field of the characterization of a pool of corium formed or being formed in a nuclear reactor. The invention particularly aims to characterize the phenomenon that can occur in the event of a severe nuclear reactor accident and meltdown of the core of said nuclear reactor and which forms a corium.
La caractérisation concerne les propriétés électriques, magnétiques et/ou géométriques dudit corium, et les variations de ces propriétés dans le temps et/ou dans l’espace, le corium étant un milieu hétérogène et conducteur de l’électricité. Selon l’invention, la caractérisation est réalisée à distance, en utilisant des moyens électromagnétiques.The characterization concerns the electrical, magnetic and/or geometric properties of said corium, and the variations of these properties over time and/or space, corium being a heterogeneous medium that conducts electricity. According to the invention, the characterization is carried out remotely, using electromagnetic means.
Etat de la techniqueState of the art
Dans de nombreuses applications, il est nécessaire de pouvoir caractériser les matières en présence dans un volume donné. Ces caractérisations doivent dans de nombreux cas être réalisées par des moyens non intrusifs et sans contact avec les matières à caractériser. L’invention concerne de telles caractérisations de matières en présence dans un volume de corium.In many applications, it is necessary to be able to characterize the materials present in a given volume. These characterizations must in many cases be carried out by non-intrusive means and without contact with the materials to be characterized. The invention relates to such characterizations of materials present in a volume of corium.
Dans le domaine nucléaire et plus précisément dans le domaine des accidents graves de réacteurs nucléaires, il peut se créer un milieu appelé « corium » se formant en cas de fusion d’un cœur de réacteur nucléaire. Le corium est un magma constitué d'éléments fondus du cœur d'un réacteur nucléaire, ainsi que de minéraux qu'il peut absorber lors de son trajet. Le corium est un volume hétérogène, composé majoritairement de métaux et/ou d’oxydes métalliques et comprend aussi généralement des minéraux. Le corium est sous la forme d’un magma, c’est à dire qu’il comprend des parties liquides (liquéfiées) et des parties solides (non liquéfiées). En outre, c’est un milieu qui est variable dans le temps, des éléments solides pouvant se liquéfier et/ou des éléments liquides pouvant se solidifier au cours du temps, et qui est également variable dans l’espace, les parties liquides et solides évoluant en permanence au sein du milieu, et le corium dans son ensemble est un milieu qui peut se déplacer, s’étendre ou se rétrécir. Une caractéristique importante des variations dans l’espace et dans le temps du corium est que les vitesses de déplacement sont lentes. Les vitesses mécaniques du corium sont de l’ordre de 1 mm.s-1.In the nuclear field and more specifically in the field of severe nuclear reactor accidents, a medium called “corium” may be created, forming in the event of meltdown of a nuclear reactor core. Corium is a magma made up of molten elements from the core of a nuclear reactor, as well as minerals that it can absorb during its journey. The corium is a heterogeneous volume, mainly composed of metals and/or metal oxides and also generally includes minerals. The corium is in the form of a magma, ie it comprises liquid parts (liquefied) and solid parts (non-liquefied). In addition, it is a medium which is variable in time, solid elements being able to liquefy and/or liquid elements being able to solidify over time, and which is also variable in space, the liquid and solid parts constantly evolving within the medium, and the corium as a whole is a medium that can move, expand or shrink. An important characteristic of corium variations in space and time is that travel velocities are slow. The mechanical velocities of the corium are of the order of 1 mm.s -1 .
En outre, la température du corium est extrêmement élevée, elle peut atteindre 2300°C, 2500°C voire 3000°C. De ce fait, la caractérisation du corium ne peut généralement pas être réalisée en contact avec celui-ci.In addition, the temperature of the corium is extremely high, it can reach 2300°C, 2500°C or even 3000°C. As a result, the characterization of the corium cannot generally be carried out in contact with it.
Par extension, le terme « corium » couvre aussi tout simulant de corium destiné à comprendre et étudier la nature et l’évolution du corium en conditions réelles. En outre, lorsqu’un tel corium est simulé, la formation du simulant de corium peut être simulée dans un contenant autre mais représentatif d’un réacteur nucléaire. L’expression « bain de corium formé ou en cours de formation dans un réacteur nucléaire » couvre une telle simulation.By extension, the term “corium” also covers any corium simulant intended to understand and study the nature and evolution of corium in real conditions. In addition, when such a corium is simulated, the formation of the corium simulant can be simulated in a different but representative container of a nuclear reactor. The expression “corium pool formed or being formed in a nuclear reactor” covers such a simulation.
Parmi les familles de techniques connues pour réaliser des caractérisations à distance, les techniques électromagnétiques sont d’un usage très répandu car elles présentent l’avantage principal d’envoyer une onde pénétrant la matière et d’être sensible aux grandeurs physiques que sont la résistivité électrique et la perméabilité magnétique. Cela permet de caractériser la matière en certains points du volume, voire en tout point de son volume, selon la technique utilisée.Among the families of known techniques for carrying out characterizations at a distance, electromagnetic techniques are widely used because they have the main advantage of sending a wave penetrating the material and of being sensitive to physical quantities such as resistivity. electrical and magnetic permeability. This makes it possible to characterize the material at certain points of the volume, or even at any point of its volume, depending on the technique used.
Un exemple de caractérisation électromagnétique est la caractérisation électromagnétique basse fréquence (les courants de déplacement sont négligeables : cas de l’approximation des régimes quasi-permanents), qui est décrite ci-après. Par simplification, on appellera « champ magnétique » la grandeur vectorielleBqui est en toute rigueur une densité de flux magnétique. Elle peut également être désignée par « champ d’induction magnétique ».An example of electromagnetic characterization is the low-frequency electromagnetic characterization (displacement currents are negligible: case of the quasi-steady state approximation), which is described below. For simplicity, we will call “magnetic field” the vector quantity B which is strictly speaking a magnetic flux density. It may also be referred to as a “magnetic induction field”.
L’application d’un champ magnétique à un volume de matière peut entraîner une réponse de ladite matière. Suivant la nature du champ magnétique appliqué et les propriétés de la matière que l’on cherche à caractériser, il peut apparaître une modification du champ magnétique appliqué. Cette modification est produite soit par une distorsion des lignes du champ magnétique du fait d’une perméabilité magnétique relative de la matière lorsqu’elle est nettement différente du milieu ambiant, soit par la circulation de courants induits rendus possibles par la résistivité ohmique de la matière, soit enfin par l’existence d’une vitesse de déplacement relative entre le champ magnétique appliqué et la matière à condition que celle-ci soit conductrice de l’électricité.Applying a magnetic field to a volume of matter can cause that matter to respond. Depending on the nature of the applied magnetic field and the properties of the material that one seeks to characterize, a modification of the applied magnetic field may appear. This modification is produced either by a distortion of the lines of the magnetic field due to a relative magnetic permeability of the material when it is clearly different from the ambient environment, or by the circulation of induced currents made possible by the ohmic resistivity of the material. , or finally by the existence of a relative speed of movement between the applied magnetic field and the material provided that the latter is electrically conductive.
Plusieurs types de catégorisations sont possibles pour classer les différences technologies de caractérisation électromagnétique. Ci-après, il est proposé une catégorisation par équations physiques auxquelles seront associées des technologies. Certaines de ces équations sont celles dites de « Maxwell ». Dans le cadre de l’approximation des régimes quasi-permanents, elles font intervenir trois propriétés physiques de la matière à caractériser : résistivité ohmique (propriété électrique), perméabilité magnétique (propriété magnétique), vitesse de déplacement. Elles sont exprimées ci-dessous dans le cadre de l’approximation des régimes quasi-permanents, qui suppose que les courants de déplacement sont négligeables.Several types of categorization are possible to classify the different electromagnetic characterization technologies. Below, a categorization by physical equations to which technologies will be associated is proposed. Some of these equations are the so-called “Maxwell” equations. As part of the quasi-steady state approximation, they involve three physical properties of the material to be characterised: ohmic resistivity (electrical property), magnetic permeability (magnetic property), displacement speed. They are expressed below in the framework of the quasi-steady-state approximation, which assumes that the displacement currents are negligible.
Dans le cadre de la magnétodynamique (champ magnétique variable dans le temps), les équations sont les suivantes :In the context of magnetodynamics (time-varying magnetic field), the equations are as follows:
Equation de Maxwell – Faraday :Maxwell–Faraday equation:
Où
Equation de Maxwell – Ampère :Maxwell–Ampere equation:
Oùµest la perméabilité magnétique de la matière à caractériser (perméabilité magnétique relative par rapport au milieu ambiant) et
Equations de conservation :Conservation equations:
Loi d’Ohm:Ohm's law:
Où
L’équation d’induction (transport du champ magnétique) prend la forme suivante :The induction equation (magnetic field transport) takes the following form:
Elle fait apparaître les termes suivants :It shows the following terms:
Dans le cas particulier de l’absence de mouvement (le champ de vitesse mécanique
L’application de ces équations aux différentes matières à caractériser dépend du fait que celles-ci sont conductrices de l’électricité ou non (conductivité σ). La perméabilité magnétique relativeµ(également désignée parµ r ) de la matière à caractériser influence également ce système d’équations. L’existence d’une vitesse de déplacement relative entre la matière à caractériser et le champ d’induction magnétique influence également ces équations.The application of these equations to the different materials to be characterized depends on whether these are electrically conductive or not (conductivity σ). The relative magnetic permeability µ (also denoted by µ r ) of the material to be characterized also influences this system of equations. The existence of a relative displacement speed between the material to be characterized and the magnetic induction field also influences these equations.
Dans le cadre de la magnétostatique (champ magnétique statique), les courants et les champs électriques sont constants. Les équations précédentes deviennent :In magnetostatics (static magnetic field), electric currents and fields are constant. The previous equations become:
Equation de Maxwell - Ampère :Maxwell's equation - Ampere:
Equation de conservation :Conservation equation:
Loi d’Ohm :Ohm's law:
L’équation d’induction est réduite à :The induction equation is reduced to:
Dans le cas particulier de l’absence de mouvement (le champ de vitesse mécanique
Les classes définies ci-dessous sont des technologies de caractérisation dont le fonctionnement repose sur ces équations de l’électromagnétisme relevant soit de la magnétodynamique, soit de la seule magnétostatique :The classes defined below are characterization technologies whose operation is based on these electromagnetism equations relating either to magnetodynamics or to magnetostatics alone:
Classe 1 : sensible aux 3 grandeurs physiques qui sont suffisamment « perceptibles », c’est à dire définie pour des matières ayant des grandeurs physiques significativement différentes de celles du milieu ambiant. Typiquement applicable pour du fer solide en mouvement.Class 1: sensitive to the 3 physical quantities which are sufficiently "perceptible", i.e. defined for materials having physical quantities significantly different from those of the ambient environment. Typically applicable for solid iron in motion.
Classe 2 : sensible à la perméabilité magnétique. Typiquement applicable pour un massif de fer feuilleté solide statique, une culasse de transformateur électrique…Class 2: sensitive to magnetic permeability. Typically applicable for static solid laminated iron block, electrical transformer yoke, etc.
Classe 3 : sensible à la résistivité ohmique. Typiquement applicable pour du métal liquide statique (par exemple du corium statique ou en mouvement suffisamment lent pour ne pas être perceptible).Class 3: sensitive to ohmic resistivity. Typically applicable for static liquid metal (eg static or moving corium slow enough not to be perceptible).
Classe 4 : sensible à la résistivité ohmique et au mouvement. Typiquement applicable pour une coulée d’acier fondu (par exemple du corium en mouvement suffisamment rapide pour être perceptible).Class 4: Sensitive to ohmic resistivity and motion. Typically applicable for a cast of molten steel (e.g. corium moving fast enough to be perceptible).
Classe 5 : sensible à la résistivité ohmique et à la perméabilité magnétique. Typiquement applicable pour fer solide statique.Class 5: sensitive to ohmic resistivity and magnetic permeability. Typically applicable for static solid iron.
Pour chaque classe, il existe deux grandes familles de technologies : celle reposant sur l’application d’un champ magnétique statique et celle reposant sur l’application d’un champ magnétique variable dans le temps. Les champs magnétiques statiques sont plus pénétrants dans la matière (absence d’effet de « peau »), et ne sont pas une source de bruit pour les systèmes de mesures électriques. A l’inverse, les champs variables dans le temps créent un champ électrique qui peut engendrer des courants induits dans la matière si celle-ci est conductrice, ce qui peut être exploité pour la caractérisation.For each class, there are two main families of technologies: that based on the application of a static magnetic field and that based on the application of a time-varying magnetic field. Static magnetic fields are more penetrating in matter (absence of "skin" effect), and are not a source of noise for electrical measurement systems. Conversely, time-varying fields create an electric field that can generate induced currents in the material if it is conductive, which can be exploited for characterization.
Le tableau ci-dessous est un récapitulatif des classes et des deux grandes familles de technologies par classe :The table below is a summary of the classes and the two main families of technologies by class:
AC désigne un champ magnétique variable et DC un champ magnétique statique.AC denotes a variable magnetic field and DC a static magnetic field.
Si on reprend les formules et notamment la formule Math. 12, sachant qu’un courant électrique ne peut être créé avec un champ magnétique statique, et que pour un métal liquide statique, la vitesse u est nulle, on comprend que le courant j qui traverse le métal est nul. Donc il n’est pas possible, à champ magnétique statique, et pour un métal liquide statique de détecter un phénomène. C’est pourquoi, il est indiqué que ceci est inopérant dans le cas de la classe 3 en DC.If we take the formulas and in particular the formula Math. 12, knowing that an electric current cannot be created with a static magnetic field, and that for a static liquid metal, the speed u is zero, we understand that the current j which crosses the metal is zero. So it is not possible, with a static magnetic field, and for a static liquid metal to detect a phenomenon. This is why it is indicated that this is inoperative in the case of class 3 in DC.
Plus globalement, une technologie à champ magnétique statique ne peut pas être utilisée pour caractériser des matières immobiles et dont la perméabilité magnétique tend vers 1.More generally, a static magnetic field technology cannot be used to characterize immobile materials whose magnetic permeability tends towards 1.
Concernant le corium, sa particularité est que les différentes matières en fusion le constituant peuvent être différenciées par leur résistivité ohmique du point de vue d’une technologie de caractérisation électromagnétique. En revanche, à leur niveau de température très élevée, il n’est pas possible de les distinguer par le biais de leurs perméabilités magnétiques relatives car celles-ci sont toutes sensiblement égales entre elles quel que soit le matériau (valeurs asymptotiques tendant vers la valeur 1 : au-delà de la température de Curie, tout matériau perd en effet ses propriétés ferromagnétiques pour redevenir paramagnétique). Ceci confirme donc que les classes 3 et 4 sont les mieux adaptées.Regarding corium, its particularity is that the various molten materials that make it up can be differentiated by their ohmic resistivity from the point of view of electromagnetic characterization technology. On the other hand, at their very high temperature level, it is not possible to distinguish them through their relative magnetic permeabilities because these are all substantially equal to each other regardless of the material (asymptotic values tending towards the value 1: beyond the Curie temperature, any material loses its ferromagnetic properties to become paramagnetic again). This therefore confirms that classes 3 and 4 are the best suited.
Actuellement, la connaissance de l’état du corium est limitée à l’instant de sa formation et à celui de sa solidification en fin de phase accidentelle. Pour faire progresser la compréhension des mécanismes d’accident grave et les phénomènes physiques associés, il est nécessaire d’étudier le comportement du corium durant son évolution entre sa formation et sa solidification. Cette étude est réalisée par le biais de simulations numériques s’appuyant sur des expérimentations à échelle réduite. Les expérimentations nécessitent des moyens de caractérisation du corium, généralement un simulant du corium.Currently, knowledge of the state of the corium is limited to the instant of its formation and that of its solidification at the end of the accident phase. To advance the understanding of severe accident mechanisms and the associated physical phenomena, it is necessary to study the behavior of the corium during its evolution between its formation and its solidification. This study is carried out through numerical simulations based on small-scale experiments. The experiments require corium characterization means, generally a corium simulant.
La caractérisation du corium est actuellement réalisée par examen post expérimentation à l’état final à froid et donc figé, et ce à l’aide de techniques connues (examen destructif). Pour progresser dans la compréhension de la nature et de l’évolution du corium, les scientifiques souhaitent connaitre la position relative des différentes matières présentes dans le bain en fusion alors que le corium ou un simulant de corium est en fusion. En effet, ces matières se forment et évoluent au gré des réactions physico-chimiques, comme décrit par exemple dans le document« Transient stratification modelling of a corium pool in a LWR vessel lower head » Nuclear Engineering and Design, Volume 287, June 2015, Pages 68-77. Ainsi, la caractérisation du corium ne peut pas être réalisée par le seul examen du corium refroidi.The characterization of the corium is currently carried out by post-experimental examination in the final cold and therefore frozen state, using known techniques (destructive examination). To progress in understanding the nature and evolution of corium, scientists want to know the relative position of the different materials present in the molten pool while the corium or a corium simulant is molten. Indeed, these materials are formed and evolve according to physico-chemical reactions, as described for example in the document " Transient stratification modeling of a corium pool in a LWR vessel lower head " Nuclear Engineering and Design, Volume 287, June 2015, Pages 68-77 . Thus, the characterization of the corium cannot be carried out by examining the cooled corium alone.
Parmi les dispositifs et procédés de caractérisation connus dans la classe 4 (pour des mélanges métalliques et semi-conducteurs fondus en mouvement), on connaît le dispositif de tomographie à champ continu, comme décrit par exemple dans le document« Contactless inductive flow tomography » P hysical Review E - Statistical , Nonlinear , and Soft Matter Physics , Volume 70, Issue 5 2, November 2004. Les mélanges métalliques et semi-conducteurs fondus sont caractérisés par une conductivité électrique élevée. Par conséquent, lorsqu'ils sont exposés à un champ magnétique externe, le mélange fondu qui coule donne des courants électriques qui entraînent une déformation du champ magnétique appliqué. Cette déformation de champ est mesurable en dehors du volume de fluide, et peut notamment être utilisée pour reconstruire le champ de vitesse du mélange fondu.Among the characterization devices and methods known in class 4 (for molten metal and semiconductor mixtures in motion), the continuous field tomography device is known, as described for example in the document “ Contactless inductive flow tomography ” P Hysical Review E- Statistical , Nonlinear , and Soft Matter Physics , Volume 70, Issue 5 2, November 2004 . Molten metal and semiconductor mixtures are characterized by high electrical conductivity. Therefore, when exposed to an external magnetic field, the flowing molten mixture gives off electric currents which cause the applied magnetic field to distort. This field deformation is measurable outside the volume of fluid, and can in particular be used to reconstruct the velocity field of the molten mixture.
Le dispositif ainsi décrit est sensible à un fluide conducteur de l’électricité en mouvement. Or, le corium peut être considéré comme un milieu quasiment statique. Comme décrit précédemment, les mouvements mécaniques de matière dans le corium sont lents (vitesses mécaniques de l’ordre de 1 mm.s-1), en tout cas suffisamment lents pour ne pas être visibles par un dispositif de caractérisation électromagnétique.The device thus described is sensitive to an electrically conductive fluid in motion. However, the corium can be considered as an almost static medium. As described previously, the mechanical movements of matter in the corium are slow (mechanical speeds of the order of 1 mm.s -1 ), in any case slow enough not to be visible by an electromagnetic characterization device.
Un autre dispositif de caractérisation connu dans la classe 4 est un dispositif à champ variable, constitué d’un moyen d’excitation composé de plusieurs bobines qui sont alimentées successivement les unes après les autres. Le champ magnétique appliqué au volume à caractériser est discontinu dans le temps. Le dispositif, et le procédé correspondant, repose sur la réalisation de prises de mesures successives, ce qui en fait un procédé de tomographie avec des champs commutés discrètement. L’inconvénient de ce dispositif est que, par nature, il ne délivre pas un champ continu dans le temps et l’espace. Le champ magnétique créé par le moyen d’excitation développe des courants induits qui ne sont pas planaires et circonférentiels au volume caractérisé. Le volume à caractériser doit donc être homogène pour en permettre l’examen. Il ne peut donc notamment pas être utilisé au cas du bain de corium qui est inhomogène et généralement stratifié : en effet, les courants induits par ce dispositif tendraient à traverser plusieurs strates du bain de corium lors de leur circulation. Au contraire, il est recherché des courants qui tendent à circuler uniquement au sein de chaque strate du bain de corium, de manière à ce que les capteurs au droit de chaque strate puissent traduire plus aisément l’influence des propriétés d’une strate sur les courants développés dans son volume. Lorsque ce n’est pas le cas, il est très difficile de caractériser les différentes phases en présence dans le corium.Another characterization device known in class 4 is a variable field device, consisting of an excitation means composed of several coils which are fed successively one after the other. The magnetic field applied to the volume to be characterized is discontinuous in time. The device, and the corresponding method, is based on taking successive measurements, which makes it a tomography method with discretely switched fields. The disadvantage of this device is that, by nature, it does not deliver a continuous field in time and space. The magnetic field created by the excitation means develops induced currents which are not planar and circumferential to the characterized volume. The volume to be characterized must therefore be homogeneous to allow examination. It cannot therefore in particular be used in the case of the corium pool which is inhomogeneous and generally stratified: in fact, the currents induced by this device would tend to pass through several strata of the corium pool during their circulation. On the contrary, currents are sought which tend to circulate only within each stratum of the corium pool, so that the sensors in line with each stratum can more easily translate the influence of the properties of a stratum on the currents developed in its volume. When this is not the case, it is very difficult to characterize the different phases present in the corium.
Un dispositif de caractérisation de la classe 3 est plus adapté à la caractérisation du corium. Ceci exclut la possibilité de caractériser le corium, considéré donc comme statique, grâce à une excitation par un champ magnétique statique. Par voie de conséquence, cela impose d’utiliser un champ magnétique variable dans le temps (qui peut aussi être variable dans l’espace).A class 3 characterization device is more suited to the characterization of corium. This excludes the possibility of characterizing the corium, therefore considered as static, thanks to excitation by a static magnetic field. Consequently, this requires the use of a time-varying magnetic field (which may also be space-varying).
La caractérisation des matières en présence et leur localisation dans le bain de corium peut être réalisable par une succession « d’images » retraçant l’état instantané des constituants du bain et leur évolution.The characterization of the materials present and their location in the corium pool can be achieved by a succession of “images” retracing the instantaneous state of the constituents of the pool and their evolution.
Parmi les dispositifs de caractérisation connus dans la classe 3, certains reposent sur des champs variables et sont destinés à mesurer des résistivités ohmiques et/ou des perméabilités magnétiques. Un exemple est décrit dans la demande de brevet FR2548351 qui divulgue un procédé de mesure comprenant les étapes suivantes :
- appliquer un champ magnétique alternatif à une pièce coulée métallique dont l'intérieur n'est pas solidifié ;
- détecter sans contact la grandeur de courants de Foucault produits dans la pièce coulée au moyen d'un enroulement de détection; et
- mesurer l'épaisseur de la coquille solidifiée de la pièce coulée à partir de la grandeur des courants de Foucault et en concordance avec la différence de résistance électrique entre la partie non solidifiée et la partie solidifiée de la pièce coulée.
Le procédé de la demande de brevet FR2548351 repose sur l’effet que, lorsqu'un certain métal à l'état liquide passe dans un état solide lors du refroidissement, la résistivité électrique du métal varie, et cela se traduit à son tour par une augmentation des courants de Foucault passant dans la zone.
Ce procédé (avec l’appareillage correspondant) mesure une épaisseur de zone périphérique solidifiée dans un volume globalement liquide dans une zone localisée du volume. Son principe de fonctionnement à champ magnétique variable est sensible à des métaux liquides qui ne sont pas en mouvement et dont la perméabilité magnétique relative est sensiblement la même que celles des autres matières environnantes. Cependant, cet appareillage ne peut pas caractériser un empilement de couches de matériaux différents.Among the characterization devices known in class 3, some are based on variable fields and are intended to measure ohmic resistivities and/or magnetic permeabilities. An example is described in patent application FR2548351 which discloses a measurement method comprising the following steps:
- applying an alternating magnetic field to a metal casting whose interior is not solidified;
- detecting without contact the magnitude of eddy currents produced in the casting by means of a detection winding; and
- measure the thickness of the solidified shell of the casting from the magnitude of the eddy currents and in accordance with the difference in electrical resistance between the unsolidified part and the solidified part of the casting.
The process of the patent application FR2548351 is based on the effect that, when a certain metal in the liquid state passes into a solid state during cooling, the electrical resistivity of the metal varies, and this in turn results in a increased eddy currents passing through the area.
This method (with the corresponding apparatus) measures a thickness of a solidified peripheral zone in a globally liquid volume in a localized zone of the volume. Its variable magnetic field operating principle is sensitive to liquid metals which are not in motion and whose relative magnetic permeability is substantially the same as those of other surrounding materials. However, this apparatus cannot characterize a stack of layers of different materials.
L’invention vise à surmonter les inconvénients précités de l’art antérieur.The invention aims to overcome the aforementioned drawbacks of the prior art.
Plus particulièrement, l’invention vise à disposer d’un dispositif qui permette de caractériser les matières en présence dans un bain de corium formé ou en cours de formation dans un réacteur nucléaire, le corium étant un milieu non homogène, composé majoritairement de métaux et/ou d’oxydes métalliques et aussi généralement de minéraux, qui se présente sous forme de magma à très haute température, et dont les propriétés physiques et/ou géométriques varient dans l’espace et dans le temps, avec des mouvements mécaniques de matière dans le corium relativement lents.More particularly, the invention aims to have a device which makes it possible to characterize the materials present in a pool of corium formed or being formed in a nuclear reactor, the corium being an inhomogeneous medium, composed mainly of metals and /or metal oxides and also generally minerals, which is in the form of magma at very high temperature, and whose physical and/or geometric properties vary in space and time, with mechanical movements of matter in relatively slow corium.
De manière avantageuse, l’invention vise à caractériser plus précisément la périphérie latérale d’un volume de matières en présence dans le corium.Advantageously, the invention aims to characterize more precisely the lateral periphery of a volume of materials present in the corium.
L’invention permettant de remédier à ces inconvénients est un dispositif de caractérisation des propriétés géométriques et/ou physiques d’un bain de corium formé ou en cours de formation dans un réacteur nucléaire, lesdites propriétés étant variables dans le temps et/ou dans l’espace, les vitesses de déplacement au sein du corium étant lentes, ledit dispositif s’étendant selon une direction longitudinale et comprenant :
- un inducteur apte à appliquer un champ magnétique à l’ensemble du corium à caractériser, ledit inducteur comprenant au moins deux bobines configurées pour être enroulées autour dudit corium et disposées l’une au-dessus de l’autre selon la direction longitudinale ;
- au moins un capteur apte à mesurer une densité de flux magnétique, ledit au moins un capteur étant configuré pour être disposé entre le corium à caractériser et les bobines, à une distance adaptée pour pouvoir mesurer le champ magnétique modifié par ledit corium.The invention making it possible to remedy these drawbacks is a device for characterizing the geometric and/or physical properties of a pool of corium formed or being formed in a nuclear reactor, said properties being variable over time and/or over time. space, the speeds of movement within the corium being slow, said device extending in a longitudinal direction and comprising:
- an inductor capable of applying a magnetic field to all of the corium to be characterized, said inductor comprising at least two coils configured to be wound around said corium and arranged one above the other in the longitudinal direction;
- at least one sensor capable of measuring a magnetic flux density, said at least one sensor being configured to be arranged between the corium to be characterized and the coils, at a suitable distance to be able to measure the magnetic field modified by said corium.
Comme défini plus avant dans la description, le corium est un volume hétérogène, composé majoritairement de métaux et/ou d’oxydes métalliques et comprend aussi généralement des minéraux, le tout sous la forme d’un magma. En outre, c’est un milieu qui est variable dans le temps, des éléments solides pouvant se liquéfier et/ou des éléments liquides pouvant se solidifier au cours du temps, et qui est également variable dans l’espace, les parties liquides et solides évoluant en permanence au sein du milieu, et le corium dans son ensemble est un milieu qui peut se déplacer, s’étendre ou se rétrécir. Une caractéristique importante des variations dans l’espace et dans le temps du corium est que les vitesses de déplacement sont lentes, de l’ordre de 1 mm.s-1.As defined further in the description, the corium is a heterogeneous volume, mainly composed of metals and/or metal oxides and also generally includes minerals, all in the form of a magma. In addition, it is a medium which is variable in time, solid elements being able to liquefy and/or liquid elements being able to solidify over time, and which is also variable in space, the liquid and solid parts constantly evolving within the medium, and the corium as a whole is a medium that can move, expand or shrink. An important characteristic of the variations in space and time of the corium is that the speeds of movement are slow, of the order of 1 mm.s -1 .
En outre, le corium constitue un volume de matières conductrices de l’électricité.In addition, the corium constitutes a volume of electrically conductive materials.
En outre, la température du corium est extrêmement élevée, elle peut atteindre 2300°C, 2500°C voire 3000°C. De ce fait, le dispositif de caractérisation, qui est disposé à l’extérieur et à distance du corium, est adapté à la caractérisation du corium.In addition, the temperature of the corium is extremely high, it can reach 2300°C, 2500°C or even 3000°C. As a result, the characterization device, which is located outside and at a distance from the corium, is suitable for characterizing the corium.
Il est également rappelé que, par extension, le terme « corium » couvre aussi tout simulant de corium destiné à comprendre et étudier la nature et l’évolution d’un corium en conditions réelles. En outre, lorsqu’un tel simulant de corium est formé en conditions expérimentales, la formation du simulant de corium peut être réalisée dans un contenant autre qu’un réacteur nucléaire mais représentatif d’un réacteur nucléaire, par exemple une cuve représentative des cuves de réacteurs ou un creuset adapté à la température de fusion du corium. L’expression « bain de corium formé ou en cours de formation dans un réacteur nucléaire » couvre une telle simulation expérimentale.It is also recalled that, by extension, the term "corium" also covers any corium simulant intended to understand and study the nature and evolution of a corium in real conditions. In addition, when such a corium simulant is formed under experimental conditions, the formation of the corium simulant can be carried out in a container other than a nuclear reactor but representative of a nuclear reactor, for example a vessel representative of the reactors or a crucible adapted to the melting point of the corium. The expression “corium pool formed or being formed in a nuclear reactor” covers such an experimental simulation.
Par ailleurs, dans la suite de la description, les expressions « bain de corium » et « corium » pourront être utilisées indifféremment, et il est supposé être « formé ou en cours de formation ».Furthermore, in the remainder of the description, the expressions “corium pool” and “corium” may be used interchangeably, and it is assumed to be “formed or in the process of formation”.
L’homme du métier saura adapter la direction longitudinale du dispositif, ainsi que ses dimensions, à celles du corium à caractériser.Those skilled in the art will know how to adapt the longitudinal direction of the device, as well as its dimensions, to those of the corium to be characterised.
Le au moins un capteur est disposé à une distance adaptée par rapport au corium à caractériser pour pouvoir mesurer le champ magnétique modifié par ledit corium. Il est disposé de préférence au plus près du corium à caractériser. Cependant, compte tenu des températures extrêmement élevées que peut attendre le corium, une distance optimale sera déterminée par l’homme du métier pour ne pas risquer de détériorer le capteur.The at least one sensor is placed at a suitable distance with respect to the corium to be characterized in order to be able to measure the magnetic field modified by said corium. It is preferably positioned as close as possible to the corium to be characterised. However, given the extremely high temperatures that the corium can expect, an optimal distance will be determined by those skilled in the art so as not to risk damaging the sensor.
Selon l’invention, les termes « en-dessous », « au-dessus » et « hauteur » sont à comprendre par référence à la direction longitudinale du dispositif de caractérisation lorsqu’il est disposé à la verticale, sachant qu’il peut ne pas être disposé à la verticale. Le terme « radial » est à comprendre par référence à un plan perpendiculaire à la direction longitudinale.According to the invention, the terms "below", "above" and "height" are to be understood with reference to the longitudinal direction of the characterization device when it is arranged vertically, knowing that it may not not be placed vertically. The term "radial" is to be understood by reference to a plane perpendicular to the longitudinal direction.
Le dispositif de caractérisation comporte en effet une première caractéristique qui est la disposition des bobines autour du corium à caractériser et disposées l’une au-dessus de l’autre autour du corium à caractériser, ce qui permet de caractériser plus précisément la périphérie latérale du volume de matières dans le corium. Lorsque le corium est de forme allongée, la direction longitudinale du dispositif correspond à celle du corium et les bobines sont ainsi disposées l’une au-dessus de l’autre le long du corium à caractériser. Une seconde caractéristique est l’emplacement du (ou des) capteur(s) permettant de mesurer les modifications du champ magnétique induites par le corium à caractériser, lesdites modifications permettant de caractériser ledit corium.The characterization device in fact comprises a first characteristic which is the arrangement of the coils around the corium to be characterized and arranged one above the other around the corium to be characterized, which makes it possible to characterize more precisely the lateral periphery of the volume of materials in the corium. When the corium is elongated, the longitudinal direction of the device corresponds to that of the corium and the coils are thus arranged one above the other along the corium to be characterised. A second characteristic is the location of the sensor(s) used to measure the modifications of the magnetic field induced by the corium to be characterized, said modifications making it possible to characterize said corium.
Le dispositif de caractérisation peut comprendre plusieurs caractéristiques complémentaires, décrites dans ce qui suit, et qui peuvent être prises de manière isolée ou en combinaison l’une avec l’autre, ou les unes avec les autres.The characterization device can comprise several complementary characteristics, described in the following, and which can be taken in isolation or in combination with one another, or with each other.
Les bobines sont de préférence enroulées toutes autour d’un même axe de révolution, et sont avantageusement centrées par rapport au corium à caractériser.The coils are preferably all wound around the same axis of revolution, and are advantageously centered with respect to the corium to be characterized.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de caractérisation comprend en outre un moyen de traitement, relié à le au moins un capteur et apte à déterminer au moins une propriété géométrique et/ou physique du corium en fonction du champ magnétique modifié, mesuré par le au moins un capteur.According to one embodiment, the characterization device further comprises processing means, connected to the at least one sensor and capable of determining at least one geometric and/or physical property of the corium as a function of the modified magnetic field, measured by the at least one sensor.
Ledit moyen de traitement permet de réaliser au moins tout ou partie des opérations suivantes : traiter les informations reçues par les capteurs, délivrer les valeurs de densité de flux magnétique recherchées (par exemple la norme magnétique), relier lesdites valeurs aux positions des capteurs, à différentes parties du corium à caractériser, relier lesdites valeurs au temps (lorsque le corium est en formation), fournir les données de post-traitement souhaitées par l’utilisateur ...Said processing means makes it possible to carry out at least all or part of the following operations: processing the information received by the sensors, delivering the values of magnetic flux density sought (for example the magnetic standard), relating said values to the positions of the sensors, different parts of the corium to characterize, relate said values to time (when the corium is forming), provide the post-processing data desired by the user...
Selon un mode de réalisation, le au moins un capteur est disposé en regard du corium, et au plus proche du corium.According to one embodiment, the at least one sensor is arranged opposite the corium, and as close as possible to the corium.
Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif de caractérisation comprend une pluralité de capteurs, lesdits capteurs étant disposés à différents emplacements en relation avec différentes portions du corium à caractériser. Cela permet de caractériser le corium sur les différentes portions.According to an advantageous embodiment, the characterization device comprises a plurality of sensors, said sensors being arranged at different locations in relation to different portions of the corium to be characterized. This makes it possible to characterize the corium on the different portions.
Selon un mode de réalisation particulier, les capteurs sont disposés à différents niveaux selon la direction longitudinale. Cela permet de caractériser le corium sur tout ou partie de sa longueur.According to a particular embodiment, the sensors are arranged at different levels in the longitudinal direction. This makes it possible to characterize the corium over all or part of its length.
Selon un mode de réalisation avantageux, l’inducteur comprend au moins trois bobines. En effet, disposer d’au moins trois bobines permet de former un champ magnétique plus régulier. De plus, le nombre de bobines est adapté au corium à caractériser, de manière à couvrir tout le corium.According to an advantageous embodiment, the inductor comprises at least three coils. Indeed, having at least three coils makes it possible to form a more regular magnetic field. In addition, the number of coils is adapted to the corium to be characterized, so as to cover all the corium.
Selon un mode de réalisation, l’inducteur comprend en outre au moins une bobine s’étendant au-dessus du corium à caractériser.According to one embodiment, the inductor further comprises at least one coil extending above the corium to be characterized.
Selon un mode de réalisation, l’inducteur comprend en outre au moins une bobine s’étendant en dessous du corium à caractériser.According to one embodiment, the inductor further comprises at least one coil extending below the corium to be characterized.
Selon un mode de réalisation, les bobines sont toutes enroulées selon un même axe de révolution, selon la direction longitudinale.According to one embodiment, the coils are all wound along the same axis of revolution, in the longitudinal direction.
Selon un mode de réalisation particulier dans lequel le corium à caractériser forme un cylindre de révolution, l’axe de révolution des bobines correspond sensiblement à l’axe de révolution dudit corium à caractériser.According to a particular embodiment in which the corium to be characterized forms a cylinder of revolution, the axis of revolution of the coils corresponds substantially to the axis of revolution of said corium to be characterized.
Selon un mode de réalisation l’inducteur comprend un outre une culasse magnétique disposée autour du bobinage.According to one embodiment, the inductor also comprises a magnetic yoke arranged around the winding.
Selon une première variante de réalisation, les bobines sont couplées entre elles de manière à appliquer un champ magnétique glissant, de préférence par paires en anti-série.According to a first variant embodiment, the coils are coupled together so as to apply a sliding magnetic field, preferably in pairs in anti-series.
Selon une seconde variante de réalisation, les bobines sont toutes couplées entre elles de manière à appliquer un premier champ magnétique pulsant.According to a second variant embodiment, the coils are all coupled together so as to apply a first pulsating magnetic field.
Selon une troisième variante de réalisation, des premières bobines sont couplées entre elles d’une part, et des secondes bobines sont couplées entre elles d’autre part de manière à appliquer un second champ magnétique pulsant.According to a third variant embodiment, first coils are coupled together on the one hand, and second coils are coupled together on the other hand so as to apply a second pulsating magnetic field.
L’invention concerne également un système comprenant :
- un dispositif de caractérisation ; et
- un dispositif d’expérimentation comprenant un contenant apte à contenir le corium à caractériser dans le temps et/ou dans l’espace.The invention also relates to a system comprising:
- a characterization device; and
- an experimental device comprising a container capable of containing the corium to be characterized in time and/or in space.
Le contenant doit être adapté au corium à caractériser et notamment à son évolution dans le temps le cas échéant. La direction longitudinale du dispositif de caractérisation, ainsi que ses dimensions doivent alors être adaptées au contenant. Le contenant peut être une cuve du type des cuves de réacteurs nucléaires, ou un creuset adapté à la température de fusion du corium.The container must be adapted to the corium to be characterized and in particular to its evolution over time, if applicable. The longitudinal direction of the characterization device, as well as its dimensions must then be adapted to the container. The container can be a vessel of the type of nuclear reactor vessels, or a crucible adapted to the melting temperature of the corium.
Dans ce cas, les bobines sont enroulées autour dudit contenant et disposées l’une au-dessus de l’autre selon la direction longitudinale, et le au moins un capteur est disposé entre ledit contenant et les bobines, de préférence au plus proche du contenant (de manière à être au plus proche du corium à caractériser). Cependant, compte tenu des températures extrêmement élevées que peut attendre le corium, une distance optimale sera déterminée par l’homme du métier pour ne pas risquer de détériorer le capteur.In this case, the coils are wound around said container and arranged one above the other in the longitudinal direction, and the at least one sensor is arranged between said container and the coils, preferably closest to the container (so as to be as close as possible to the corium to be characterised). However, given the extremely high temperatures that the corium can expect, an optimal distance will be determined by those skilled in the art so as not to risk damaging the sensor.
Dans le cas d’un contenant de forme cylindrique de révolution, les bobines forment un diamètre intérieur supérieur au diamètre extérieur du contenant.In the case of a container of cylindrical shape of revolution, the coils form an internal diameter greater than the external diameter of the container.
Selon un mode de réalisation, le dispositif d’expérimentation comprend en outre le corium à caractériser dans le temps et/ou dans l’espace.According to one embodiment, the experimentation device further comprises the corium to be characterized in time and/or in space.
Selon un mode de réalisation préféré, au moins une propriété physique du corium est choisie parmi la résistivité ohmique ou la perméabilité magnétique.According to a preferred embodiment, at least one physical property of the corium is chosen from ohmic resistivity or magnetic permeability.
Selon un mode de réalisation, le dispositif d’expérimentation comprend en outre un moyen de chauffage apte à chauffer le corium, le au moins un capteur étant disposé entre ledit moyen de chauffage et l’inducteur.According to one embodiment, the experimentation device further comprises heating means capable of heating the corium, the at least one sensor being placed between said heating means and the inductor.
Brève description des figuresBrief description of figures
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à l’aide de la description qui suit, donnée à titre illustratif et non limitatif, faite en regard des figures annexées parmi lesquellesOther characteristics and advantages of the invention will become apparent with the aid of the description which follows, given by way of illustration and not limitation, given with regard to the appended figures, among which
Claims (17)
- un inducteur (12) apte à appliquer un champ magnétique à l’ensemble du corium (4) à caractériser, ledit inducteur comprenant au moins deux bobines (12111, 12121) configurées pour être enroulées autour dudit corium et disposées l’une au-dessus de l’autre selon la direction longitudinale (Z) ;
- au moins un capteur (11) apte à mesurer une densité de flux magnétique, ledit au moins un capteur étant configuré pour être disposé entre le corium (4) à caractériser et les bobines, à une distance adaptée pour pouvoir mesurer le champ magnétique modifié par ledit corium.Device for characterizing (1) the geometric and/or physical properties of a corium pool (4) formed or being formed in a nuclear reactor, said properties being variable in time and/or in space, the velocities movement within the corium being slow, said device extending in a longitudinal direction (Z) and comprising:
- an inductor (12) capable of applying a magnetic field to all of the corium (4) to be characterized, said inductor comprising at least two coils (12111, 12121) configured to be wound around said corium and arranged one above above the other in the longitudinal direction (Z);
- at least one sensor (11) able to measure a magnetic flux density, said at least one sensor being configured to be placed between the corium (4) to be characterized and the coils, at a suitable distance to be able to measure the modified magnetic field by said corium.
- un dispositif de caractérisation (1) choisi selon l’une des revendications 1 à 13 ;
- un dispositif d’expérimentation comprenant un contenant (3) apte à contenir le corium (4) à caractériser, à propriétés géométriques et/ou physiques variables dans le temps et/ou dans l’espace.System comprising:
- a characterization device (1) chosen according to one of claims 1 to 13;
- an experimental device comprising a container (3) capable of containing the corium (4) to be characterised, with geometric and/or physical properties that vary over time and/or in space.
- le corium (4) à caractériser dans le temps et/ou dans l’espace.A system according to claim 14, the experimental device further comprising:
- the corium (4) to be characterized in time and/or space.
- un moyen de chauffage (2) apte à chauffer le corium (4) ;
le au moins un capteur (11) étant disposé entre ledit moyen de chauffage et l’inducteur (12).System according to one of Claims 14 to 16, the experimentation device further comprising:
- a heating means (2) capable of heating the corium (4);
the at least one sensor (11) being disposed between said heating means and the inductor (12).
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|---|---|---|---|
| FR2101364A FR3119890A1 (en) | 2021-02-12 | 2021-02-12 | Device for characterizing a pool of corium formed or being formed in a nuclear reactor |
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