WO2011141370A1 - Procede de determination de taux de vide par spectrometrie de resonance acoustique non lineaire dans un milieu diphasique et application dans un reacteur nucleaire - Google Patents

Procede de determination de taux de vide par spectrometrie de resonance acoustique non lineaire dans un milieu diphasique et application dans un reacteur nucleaire Download PDF

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Matthieu Cavaro
Cédric PAYAN
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Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • the field of the invention is that of the determination (or characterization) of so-called vacuum rate in a two-phase gas / liquid medium, corresponding to the determination (or characterization) of volume of gas bubbles within a volume of liquid. .
  • the presence of gas in a liquid (or a solid) in the form of bubbles (free gas) is defined by gassing.
  • the gases dissolved in the liquid phase are not considered as belonging to the volume of gas but belonging to the volume of liquid, when evaluating a so-called vacuum rate.
  • FIG. 1 illustrates the diagram of such a type of reactor according to the known art.
  • the liquid sodium has the expected properties of a heat transfer fluid, namely good thermal properties, a low harmfulness, low cost ... Its main disadvantages are its responsiveness to air and especially to water and its opacity makes respectability of reactors more difficult than in water.
  • the gas present in free form in the liquid sodium of SFR can have various origins and be of various natures. There are two possible places for the existence of gas bubbles in sodium: the primary circuit (the main tank in which the core is immersed) and the secondary circuit (exchanger circuit).
  • SFR type reactors use liquid sodium as heat transfer fluid.
  • This fluid phase present in the reactor primary vessel, circulates through the core, the pumps and the exchangers in order to extract the heat resulting from nuclear fission.
  • This sodium pool is surmounted by a cover gas, also called pile sky (usually argon).
  • this liquid sodium is perfectly pure and monophasic. In reality, this is not the case: in addition to having some impurities and dissolved gases, sodium contains continuously free gas bubbles.
  • acoustic measurement methods for continuous monitoring which is carried out at nominal power (measurement of the displacement of assembly heads, ultrasonic thermometry based on the measurement of flight time), or the periodic checks operating under steady state conditions.
  • stopping (ultrasonic telemetry, surface metrology, volume control, ...) ask to know an order of magnitude of the attenuation coefficients, to prove a priori that the amplitude of the signal is sufficient, as well as an order of magnitude magnitude of the lack of homogeneity of the spatial distribution, to prove that the calibrations of the velocity made at some distance from the effective measuring point, remain usable.
  • the aforementioned measures thus necessarily impose the value of the vacuum rate, reinforced if necessary by certain data concerning the bubble radius histogram (at least the limits). If the evaluated vacuum rate is not directly damaging in itself to the operation of the core, it is indirectly harmful if it participates in the generation of gas pockets in high points of the immersed structures.
  • the characterization of the continuous primary fouling in a reactor can thus serve as input for tests or calculations of formation and relaxation of these gas pockets. It should be noted that the sudden release of accumulated gas pockets was one of the scenarios considered for explaining the series of emergency shutdowns on reactors that had operated in the past.
  • optical techniques can be used in translucent liquids, but these are no longer transposable in opaque media such as liquid sodium.
  • Linear acoustic techniques based on the attenuation or the diffusion of an acoustic wave are usable but present an ambiguity - between resonant bubble and big bubble - impossible to raise without knowledge a priori on the cloud of bubbles. For some ranges of void rates and bubble sizes, velocity measurements are sometimes used to determine the void ratio.
  • the present invention proposes to exploit the so-called "NRUS” method, frequently encountered in the literature under the acronym “Nonlinear Resonant Ultrasound Spectroscopy", that is to say a non-linear ultrasound resonance spectroscopy method. It is a nonlinear acoustic technique mainly used in the field of solid acoustics. In general, a mechanical system has resonance modes, all associated with a resonant frequency.
  • these resonance frequencies are a function of the geometric characteristics and the speed of the waves in the medium constituting the system.
  • speed in a medium depends on its density and compressibility.
  • the modulus of elasticity is not constant and is a function of the applied stress. It follows that the resonance frequency of a non-linear mechanical system varies as a function of the applied stress and therefore of the amplitude of acoustic excitation.
  • Nonlinear ultrasound resonance spectroscopy consists of observing this type of phenomenon by exciting the mechanical system under consideration by performing a frequency scan at different amplitudes. An offset between the resonance peaks then appears.
  • ⁇ the classical nonlinear parameter and has the nonlinear nonlinear parameter, ⁇ being the instantaneous deformation and ⁇ the amplitude of the deformation.
  • f 0 is the linear resonance frequency of a mechanical system (measured at small amplitudes) and f the resonance frequency measured for waves of greater amplitude and considering the parameter a as being predominantly on the parameter ⁇ , then which seems confirmed by the experiments described in the articles by K. Van Den Abeele et al.
  • Nonlinear ElasticWave Spectroscopy Techniques to Discern Material Damage, Part I: Nonlinear Wave Modulation Spectroscopy (NWMS), Part II: Single Mode Nonlinear Acoustic Resonance Spectroscopy - Res Nondestr Eval (2000) 12: 17-42 or Micro-damage diagnostics using nonlinear elastic wave spectroscopy (NEWS) - NDT & E International 34 (2001) 239-248], we obtain the relation:
  • the NRUS method consists of the measurement of a frequency shift which proves to be proportional to the non-linear nonlinear parameter by frequency scanning.
  • the frequency shift observed is a phenomenon of rapid dynamics.
  • US Pat. No. 6,330,827 describes an NRUS method for the characterization of the damage of materials. It is in this patent to apply the NRUS method and to deduce from the frequency shift, damage to the tested material.
  • the NRUS-type methods are used to detect defects constituting discontinuities sources of non-linearities in solid media.
  • the present invention relates to a vacuum rate determination method using the use of a volume elastic wave resonator.
  • the subject of the present invention is a method for determining the degree of vacuum in a two-phase gas / liquid medium corresponding to the gas volume fraction corresponding to the presence of bubbles in the liquid medium in a total volume of gas and of liquid, characterized in that it comprises the following steps:
  • the measurement by nonlinear ultrasonic resonance spectroscopy of the diphasic medium comprising the scanning in frequencies and amplitudes of acoustic excitation in a given frequency range and in a given range of amplitudes of emitted volume waves and detected at said resonator and leading to obtaining a set of resonance curves having maxima;
  • the method comprises a preliminary step of determining the resonance frequency of said gas bubbles.
  • the preliminary step of determining the size of the largest bubbles present - in order to choose a resonator whose resonance frequency is adequate - is performed by optical measurement.
  • the bubbles having a radius of the order of one hundred microns the frequency scanning by the implementation of the NRUS method is carried out below 33 KHz, resonant frequency of the bubbles. air of 100 microns in the water.
  • the volume wave resonator comprises a first metal plate connected to an emitter, a second metal plate connected to a receiver.
  • the first plate is connected to a transducer.
  • the second plate is connected to a hydrophone.
  • the volume wave resonator is of Helmholtz type.
  • the liquid is a metal in the liquid state.
  • the liquid is sodium.
  • the invention also relates to the application of the method of determining the vacuum ratio in a two-phase gas / liquid medium according to the invention, in a nuclear reactor to determine a vacuum rate in a coolant liquid.
  • the nuclear reactor is a fast neutron reactor.
  • the resonator is of the plate type and is placed in the primary circuit of the reactor.
  • the resonator is of Helmoltz resonator type and is placed in shunt of the primary circuit or the secondary circuit of the reactor.
  • FIG. 1 illustrates the diagram of a nuclear reactor comprising primary and secondary circuits according to the known art
  • FIG. 2 illustrates a set of curves established in the method of the invention making it possible to define a void ratio
  • FIG. 3 illustrates a first example of a device comprising a plate-type volume elastic wave resonator used in the method of the invention
  • FIG. 4 illustrates a second example of a device comprising a Helmholtz type of elastic wave resonator used in the method of the invention.
  • the vacuum rate determination method of the invention is applied in a two-phase liquid / gas medium, the liquid being in particular a coolant loaded with gas bubbles or even air bubbles.
  • the bubbles present in said liquid generate non-linearities in acoustic terms and the nonlinearity coefficient is determined via resonance spectroscopy, that is to say a frequency and amplitude sweep.
  • the non-linearities associated with the presence of bubbles in the liquid medium induce a frequency shift. It is this shift which makes it possible to deduce a coefficient of nonlinearity.
  • a bubble has a resonance frequency.
  • This system has, by the respective compressibilities of air and water, an infinity of degrees of freedom and thus an infinity of eigen modes of oscillation.
  • an air bubble in the water has a peculiarity: the presence of a fundamental radial resonance located at a frequency corresponding to wavelengths in the air and in the water, very large before the size of the bubble.
  • This fundamental radial mode is generally the only one considered when we speak of bubble resonance because very largely predominant from an energy point of view.
  • the frequency corresponding to the fundamental mode of resonance of a bubble is called the frequency of Minnaert described in the article - On musical air bubbles and the sound of running water - Phil. Mag., 16 (7), p. 235 to 248, 1933.
  • the Minnaert resonance involves large acoustic wavelengths in front of the bubble radius.
  • the vibratory phenomenon of bubbles in a fluid can then be considered as a model of harmonic oscillator (mass-spring system whose mass is constituted by the fluid surrounding the bubble and the spring by the compressible gas of the bubble).
  • Minnaert's model the oldest describing the resonant frequency of a bubble of radius R is as follows (note that in many cases this simple linear model is sufficient):
  • the resonant frequency of the largest bubbles is 333 kHZ.
  • a resonance frequency of the resonator much lower: (divided by about 5) about 6kHz.
  • the frequency scanning by the implementation of the NRUS method can thus be carried out from 0 to 7.2 kHz (6kHz + 20%).
  • FIG. 2 schematizes how to determine via a set of curves giving the amplitude of the volume waves analyzed according to a frequency sweep, and via the maxima of said curves, the coefficient a making it possible to determine a middle void ratio, (measurements made using a plate resonator whose resonant frequency is located around 15kHz).
  • the method of the invention makes it possible to access a wide range of measurable vacuum rates, makes it possible to have no measurement ambiguity, unlike linear methods, and the non-linearities of the bubbles dominate all the other nonlinearities in the presence (electronics, water ...), these then become negligible.
  • a device for implementing the method of the invention positioned in a first location of a nuclear reactor primary circuit
  • the process of the present invention makes it possible to determine the level of bubbles present in a liquid heat transfer fluid.
  • Setting resonance of a two-phase fluid plate is implemented through the use of a resonator consisting of two plates as shown in Figure 3, typically can be spaced a few tens of millimeters.
  • a first plate is connected to a transmitter, a second plate is connected to a hydrophone.
  • the transmitter is a transducer emitting for example at 100 kHz.
  • a signal generator 1 supplies a power amplifier 2, connected to a transducer capable of generating elastic waves of volume 10, the volume wave resonator is formed by two plates 20.
  • the volume waves are picked up by a low frequency hydrophone 30, connected for analysis to a charge amplifier 3, coupled to an oscilloscope 4.
  • a Helmoltz type resonator is defined as follows:
  • Vqu ' ⁇ communicates with the outside through a small tube of length L and section A;
  • a Helmholtz resonator makes it possible to obtain an acoustic resonance at the resonant frequency of the Helmhotz resonator defined by:
  • a transmitter 11 is placed at one end of the Helmoltz type resonator, so as to generate volume waves. received at the level of acoustic receivers 31 after resonance in the cavity 21.

Abstract

L'invention concerne un procédé de détermination du taux de vide dans un milieu diphasique gaz/liquide, correspondant à la fraction de volume de gaz correspondant à la présence de bulles dans le milieu liquide dans un volume total de gaz et de liquide caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - la mise en place d'un résonateur d'ondes élastiques de volume en contact et couplé acoustiquement avec le milieu diphasique; - la mesure par spectroscopie de résonance ultrasonore non- linéaire du milieu diphasique comportant le balayage en fréquences et en amplitudes dans une gamme de fréquences donnée et dans une gamme d'amplitudes donnée, d'ondes élastiques de volume émises et détectées au niveau dudit résonateur placé dans ledit milieu et conduisant à l'obtention d'un ensemble de courbes de résonance présentant des maxima; - la détermination d'une droite définie par l'ensemble des maxima desdites courbes et de la pente (α) de ladite droite; - la détermination du taux de vide à partir de ladite pente. L'invention concerne aussi l'application du procédé de détermination du taux de vide dans un milieu diphasique gaz/liquide selon l'invention, à un réacteur nucléaire pouvant être un réacteur à neutrons rapides.

Description

Procédé de détermination de taux de vide par spectrométrie de résonance acoustique non linéaire dans un milieu diphasique et application dans un réacteur nucléaire
Le domaine de l'invention est celui de la détermination (ou caractérisation) de taux dit de vide dans un milieu diphasique gaz/liquide, correspondant à la détermination (ou caractérisation) de volume de bulles de gaz au sein d'un volume de liquide.
II existe de nombreux domaines dans lesquels la détermination de taux de vide présente un intérêt et notamment dans des domaines aussi variés que l'industrie nucléaire, l'industrie agroalimentaire, l'industrie pétrolière, l'industrie chimique, les applications cryogéniques, la médecine (imagerie et problèmes de maladie de décompression) ou bien encore le domaine de l'acoustique sous-marine.
Plus précisément dans le domaine nucléaire, et notamment pour la quatrième génération de réacteur nucléaire à neutrons rapides « RNR », le réacteur SFR « Sodium Fast Reactor » apparaît très prometteur.
Cette famille de réacteurs présente plusieurs défis, en particulier du point de vue de l'amélioration de la surveillance. Parmi les contrôles à effectuer dans la cuve des SFR, il en est un qui n'avait pas été pris en compte dans le cadre du développement et de l'exploitation des SFR Phénix et Superphénix : la mesure de l'engazement continu du sodium primaire.
Plus précisément, on définit par engazement la présence de gaz dans un liquide (ou un solide) sous forme de bulles (gaz libre). Les gaz dissous dans la phase liquide ne sont pas considérés comme appartenant au volume de gaz mais appartenant au volume de liquide, lors de l'évaluation d'un taux dit de vide.
De manière générale, un « RNR » est un réacteur dont le cœur n'est pas modéré. Le fonctionnement en spectre rapide présente un certain nombre d'avantages tels que la possibilité de mettre en œuvre la surgénération ou la transmutation des actinides mineurs mais il nécessite l'utilisation d'un fluide caloporteur à faible section de capture neutronique tel que le sodium liquide. La figure 1 illustre le schéma d'un tel type de réacteur selon l'art connu.
En effet, le sodium liquide possède les propriétés attendues d'un fluide caloporteur à savoir de bonnes propriétés thermiques, une faible nocivité, un faible coût ... Ses principaux inconvénients sont sa réactivité à l'air et surtout à l'eau et son opacité qui rend respectabilité des réacteurs plus difficile que dans l'eau.
Le gaz présent sous forme libre dans le sodium liquide des SFR peut avoir diverses origines et être de diverses natures. Il existe deux lieux possibles d'existence de bulles de gaz dans le sodium : le circuit primaire (la cuve principale dans laquelle baigne le cœur) et le circuit secondaire (circuit des échangeurs).
Les réacteurs type SFR utilisent le sodium liquide comme fluide caloporteur. Cette phase fluide, présente dans la cuve primaire du réacteur, circule à travers le cœur, les pompes et les échangeurs afin d'extraire la chaleur issue de la fission nucléaire. Cette piscine de sodium est surmontée d'un gaz de couverture, aussi nommé ciel de pile (généralement de l'argon).
Idéalement, ce sodium liquide est parfaitement pur et monophasique. Dans la réalité, ce n'est pas le cas : en plus de comporter quelques impuretés et des gaz dissous, le sodium comporte de façon continue des bulles de gaz libre.
Cet engazement continu présente pourtant plusieurs conséquences négatives et notamment la présence de bulles dans un liquide qui modifie très fortement ses propriétés acoustiques (célérité, atténuation, diffusion, propriétés non linéaires...).
La mise en place de méthodes de mesures acoustiques pour la surveillance continue, qui est effectuée à la puissance nominale (mesure de déplacement de têtes d'assemblages, thermométrie ultrasonore basée sur la mesure de temps de vol), ou les contrôles périodiques fonctionnant en régime d'arrêt (télémétrie ultrasonore, métrologie de surface, contrôle volumique, ...) demandent de connaître un ordre de grandeur des coefficients d'atténuation, pour prouver a priori que l'amplitude du signal est suffisante, ainsi qu'un ordre de grandeur du défaut d'homogénéité de la répartition spatiale, pour prouver que les étalonnages de la vitesse faits à quelque distance du point de mesure effective, restent utilisables.
Les mesures précitées imposent ainsi nécessairement de connaître la valeur du taux de vide, renforcée le cas échéant par certaines données concernant l'histogramme des rayons des bulles (au moins les bornes). Si le taux de vide évalué n'est pas directement dommageable en lui- même vis-à-vis du fonctionnement du cœur, il l'est indirectement s'il participe à la génération de poches de gaz en points hauts des structures immergées.
La caractérisation de l'engazement primaire continu dans un réacteur peut ainsi servir de donnée d'entrée pour des essais ou des calculs de formation et de relâchement de ces poches de gaz. Il est à signaler que le relâchement brusque de poches de gaz accumulées fit partie des scénarios envisagés pour l'explication de la série d'arrêts d'urgence sur des réacteurs ayant fonctionné par le passé.
Par ailleurs, le suivi continu du taux d'engazement semble nécessaire à la maîtrise du non dépassement de plusieurs seuils et notamment :
- le seuil de perturbation neutronique (a priori trop haut pour pouvoir être atteint dans les conditions normales de fonctionnement du réacteur : de l'ordre de plusieurs pour-cent) ;
- le seuil d'aveuglement des systèmes de mesure de l'activité dans le ciel de pile.
Actuellement, afin de déterminer des taux de vide, des techniques optiques sont utilisables dans les liquides translucides, mais ces dernières ne sont plus transposables dans des milieux opaques tels que le sodium liquide.
Les techniques acoustiques linéaires basées sur l'atténuation ou la diffusion d'une onde acoustique sont utilisables mais présentent une ambiguïté - entre bulle résonante et grosse bulle - impossible à lever sans connaissance à priori sur le nuage de bulles. Pour certaines gammes de taux de vide et de tailles de bulles, des mesures de célérité sont parfois mises en œuvre pour déterminer le taux de vide.
Dans ce contexte et pour adresser la problématique de détermination de taux de vide applicable en milieu non translucide diphasique gaz/liquide et notamment de taux de vide pouvant être très faible, typiquement de l'ordre de 10"6 à 10"8, la présente invention propose d'exploiter la méthode dite « NRUS », fréquemment rencontrée dans la littérature sous l'acronyme signifiant « Nonlinear Résonant Ultrasound Spectroscopy », c'est-à-dire une méthode de spectroscopie de résonance ultrasonore non linéaire. C'est une technique d'acoustique non linéaire principalement utilisée dans le domaine de l'acoustique des solides. De manière générale, un système mécanique possède des modes de résonances, tous associés à une fréquence de résonance propre. En règle générale, ces fréquences de résonance sont fonction des caractéristiques géométriques et de la célérité des ondes dans le milieu constituant le système. Or la célérité dans un milieu est fonction de sa masse volumique et de sa compressibilité. Dans le cas de l'acoustique non linéaire, le module d'élasticité n'est pas constant et est fonction de la contrainte appliquée. Il en découle que la fréquence de résonance d'un système mécanique non linéaire varie en fonction de la contrainte appliquée et donc de l'amplitude d'excitation acoustique.
La spectroscopie de résonance ultrasonore non linéaire consiste à observer ce type de phénomène en excitant le système mécanique considéré en effectuant un balayage fréquentiel à différentes amplitudes. Un décalage entre les pics de résonance apparaît alors.
Les auteurs K. Van Den Abeele et al. ont notamment proposé dans l'article, « On the quasi-analytic treatment of hysteretic nonlinear response in elastic wave propagation" - J. Acoust. Soc. Am. 101 (4), April 1997 1885- 1898, le modèle du m
Figure imgf000006_0001
Avec β le paramètre non linéaire classique et a le paramètre non linéaire non classique, ε étant la déformation instantanée et Δε l'amplitude de la déformation.
Si f0 est la fréquence de résonance linéaire d'un système mécanique (mesurée à de faibles amplitudes) et f la fréquence de résonance mesurée pour des ondes de plus grande amplitude et en considérant le paramètre a comme largement prédominant sur le paramètre β, ce qui semble confirmé par les expérimentations décrites dans les articles de K. Van Den Abeele et al. - Nonlinear ElasticWave Spectroscopy (NEWS) Techniques to Discern Material Damage, Part I: Nonlinear Wave Modulation Spectroscopy (NWMS), Part II: Single Mode Nonlinear Résonance Acoustic Spectroscopy - Res Nondestr Eval (2000) 12: 17-42 ou Micro-damage diagnostics using nonlinear elastic wave spectroscopy (NEWS) - NDT&E International 34 (2001 ) 239-248], on obtient la relation :
Figure imgf000007_0001
La méthode NRUS consiste en la mesure d'un décalage fréquentiel qui s'avère être proportionnel au paramètre non linéaire non classique par balayage en fréquences. Le décalage fréquentiel observé est un phénomène de dynamique rapide.
Le domaine de l'élasticité non linéaire de matériaux et notamment de matériaux tels que les roches a déjà été exploré depuis longtemps, mais la technique aujourd'hui appelée NRUS a commencé à être approfondie et exploitée pour la caractérisation des milieux réellement vers le milieu des années 1990.
Il a été notamment décrit dans le brevet US6330827, une méthode NRUS pour la caractérisation de l'endommagement des matériaux. Il s'agit dans ce brevet d'appliquer la méthode NRUS et de déduire du décalage fréquentiel, un endommagement du matériau testé.
L'article de M. Muller et al. - Nonlinear résonant ultrasound spectroscopy (NRUS) applied to damage assesment in bone - J. Acous. Soc. Am., Vol. 1 18(6), p. 3946-3952, Dec. 2005, présente une autre application intéressante de la technique NRUS : la détection de fissures dans les os. La spectroscopie d'un os sain présente une constance de la fréquence de résonance alors qu'un os fissuré présente un décalage fréquentiel.
Ainsi, selon l'art connu, les méthodes de type NRUS sont employées pour détecter des défauts constituant des discontinuités sources de non- linéarités dans des milieux solides.
Concernant les milieux diphasiques, les inventeurs ont mentionné dans une publication : Cavaro M. ET AL : « Towards in-service acoustic characterization of gaseous micobubbles applied to liquid sodium » 2009 1 ST INTERNATIONAL CONFERENCE ON ADVANCEMENTS IN NUCLEAR INSTRUMENTATOIN MEASUREMENTS METHODS AND THEIR APPLICATIONS » XP031704404, la possibilité d'utiliser des non-linéarités acoustiques pour notamment détecter des tailles de bulles grâce à la présence de deux transducteurs à ondes acoustiques émettant dans un milieu diphasique, un premier transducteur émettant une onde acoustique à une première fréquence fixe, un second transducteur émettant une onde acoustique à une seconde fréquence f2 variable. Les bulles en présence dans le milieu à bulles génèrent une onde acoustique à une différence de fréquence Δ( 2) détectée par un hydrophone, le balayage en fréquence permettant ainsi de détecter différentes différences de fréquence et ainsi différentes taille de bulles.
Les auteurs évoquent dans cet article, la possibilité d'utiliser la méthode de type RNUS mais sans proposer de solution permettant d'implémenter une telle méthode et ce pour déterminer un taux de vide dans un milieu diphasique.
C'est pourquoi, dans ce contexte la présente invention a pour objet un procédé de détermination de taux de vide exploitant l'utilisation d'un résonateur à ondes élastiques de volume.
.Plus précisément la présente invention a pour objet un procédé de détermination du taux de vide dans un milieu diphasique gaz/liquide, correspondant à la fraction de volume de gaz correspondant à la présence de bulles dans le milieu liquide dans un volume total de gaz et de liquide, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
- la mise en place d'un résonateur d'ondes élastiques de volume en contact et couplé acoustiquement avec le milieu diphasique ;
- la mesure par spectroscopie de résonance ultrasonore non- linéaire du milieu diphasique comportant le balayage en fréquences et en amplitudes d'excitation acoustique dans une gamme de fréquences donnée et dans une gamme d'amplitudes donnée, d'ondes élastiques de volume émises et détectées au niveau dudit résonateur et conduisant à l'obtention d'un ensemble de courbes de résonance présentant des maxima ;
- la détermination d'une droite définie par l'ensemble des maxima desdites courbes de résonance pour des amplitudes d'excitation différentes et de la pente (a) de ladite droite ;
- la détermination du taux de vide à partir de ladite pente.
Selon une variante de l'invention, le procédé comprend une étape préalable de détermination de la fréquence de résonance desdites bulles de gaz. Selon une variante de l'invention, l'étape préalable de détermination de la taille des plus grosses bulles présente - afin de choisir un résonateur dont la fréquence de résonance est adéquate - est effectuée par mesure optique.
Selon une variante de l'invention, les bulles ayant un rayon de l'ordre d'une centaine de microns, le balayage fréquentiel par la mise en œuvre de la méthode NRUS est effectué en dessous de 33 KHz, fréquence de résonance des bulles d'air de 100 microns dans l'eau.
Selon une variante de l'invention, le résonateur à ondes de volume comporte une première plaque métallique connecté à un émetteur, une seconde plaque métallique connectée à un récepteur.
Selon une variante de l'invention, la première plaque est connectée à un transducteur.
Selon une variante de l'invention, la seconde plaque est connectée à un hydrophone.
Selon une variante de l'invention, le résonateur à ondes de volume est de type Helmholtz.
Selon une variante de l'invention, le liquide est un métal à l'état liquide.
Selon une variante de l'invention, le liquide est du sodium.
L'invention a aussi pour objet l'application du procédé de détermination du taux de vide dans un milieu diphasique gaz/liquide selon l'invention, dans un réacteur nucléaire pour déterminer un taux de vide dans un liquide de caloporteur.
Selon une variante de l'invention, le réacteur nucléaire est un réacteur à neutrons rapides.
Selon une variante de l'invention, le résonateur est de type plaque et est placé dans le circuit primaire du réacteur.
Selon une variante de l'invention, le résonateur est de type résonateur de Helmoltz et est placé en dérivation du circuit primaire ou du circuit secondaire du réacteur.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 illustre le schéma d'un réacteur nucléaire comportant des circuits primaire et secondaire selon l'art connu ;
- la figure 2 illustre un ensemble de courbes établies dans le procédé de l'invention permettant de définir un taux de vide ;
- la figure 3 illustre un premier exemple de dispositif comportant un résonateur à ondes élastiques de volume de type plaques, utilisé dans le procédé de l'invention ;
- la figure 4 illustre un second exemple de dispositif comportant un résonateur à ondes élastiques de volume type Helmholtz utilisé dans le procédé de l'invention.
Le procédé de détermination de taux de vide de l'invention est appliqué en milieu diphasique liquide /gaz, le liquide pouvant être notamment un fluide caloporteur chargé en bulles de gaz voire en bulles d'air. Les bulles présentes dans ledit liquide génèrent des non-linéarités en terme acoustique et le coefficient de non linéarité est déterminé via une spectroscopie de résonance, c'est-à-dire un balayage en fréquence et en amplitude. Les non linéarités liées à la présence de bulles dans le milieu liquide induisent un décalage de fréquence. C'est ce décalage qui permet de déduire un coefficient de non linéarité.
Selon l'art connu, la problématique de la propagation d'une onde acoustique dans un liquide bulleux est souvent traitée de façon linéaire. Cette approche est valable pour des oscillations de faibles amplitudes. Lorsqu'elle est applicable, elle permet par ailleurs d'établir une bonne approximation des célérités, atténuations, diffusions... en milieux diphasiques.
Comme tout système mécanique, une bulle présente une fréquence de résonance. Considérons une bulle d'air sphérique dans un volume d'eau. Ce système possède, de par les compressibilités respectives de l'air et de l'eau, une infinité de degrés de liberté et donc une infinité de modes propres d'oscillation.
Néanmoins une bulle d'air dans l'eau possède une particularité : la présence d'une résonance radiale fondamentale se situant à une fréquence correspondant à des longueurs d'onde dans l'air et dans l'eau, très grandes devant la taille de la bulle. Ce mode radial fondamental est en général le seul considéré lorsque l'on parle de résonance de bulles car très largement prépondérant d'un point de vue énergétique.
Il est possible de n'envisager que les pulsations de volume à symétrie sphérique des bulles (mode 0) que lorsque k.a « 1 . Seul le mode 0 donne lieu à des variations de volume comme décrit dans l'article de A. Bouakaz, P. Palanchon, N. de Jong - Dynamique de la microbulle - Chapitre de Echographie de contraste, Springer, 2007.
La fréquence correspondant au mode fondamental de résonance d'une bulle porte le nom de fréquence de Minnaert décrit dans l'article - On musical air bubbles and the sound of running water - Phil. Mag., 1 6(7), p. 235 à 248, 1 933. La résonance de Minnaert met en jeu des longueurs d'ondes acoustiques grandes devant le rayon des bulles. Le phénomène vibratoire des bulles dans un fluide peut alors être considéré comme un modèle d'oscillateur harmonique (système masse-ressort dont la masse est constituée par le fluide environnant la bulle et le ressort par le gaz compressible de la bulle).
Le modèle de Minnaert, le plus ancien décrivant la fréquence de résonance d'une bulle de rayon R est le suivant (signalons que dans bien des cas, ce modèle linéaire simple suffit) :
Figure imgf000011_0001
avec
γ = exposant isentropique du gaz (s.u.)
p0 = pression statique (Pa)
Pi = masse volumique du liquide (kg. m"3)
Pour le système air-eau, cela donne un coefficient de :
fréquence * rayon = 3,29 SI
Ceci constitue donc le critère pour le choix de la fréquence du résonateur. La présence de bulles fera ensuite diminuer la fréquence de résonance du résonateur et ce de façon dépendante du taux de vide. N'ayant pas de connaissance a priori du taux de vide (puisqu'on cherche à le mesurer), il doit donc être effectué de 0 à la fréquence calculée précédemment + environ 20%.
Exemple de détermination de taux de bulles d'air dans un milieu aqueux :
Pour un nuage de bulles donc les bulles présentent un rayon inférieur à 100 microns, la fréquence de résonance des plus grosses bulles est de 333 kHZ. On choisira une fréquence de résonance du résonateur très inférieure : (divisée par 5 environ) soit 6kHz environ.
Le balayage fréquentiel par la mise en œuvre de la méthode NRUS peut ainsi être effectué de 0 à 7,2 kHz (6kHz + 20%).
A titre illustratif du procédé de l'invention, la figure 2 schématise comment déterminer via un ensemble de courbes donnant l'amplitude des ondes de volume analysées selon un balayage en fréquence, et via les maxima desdites courbes, le coefficient a permettant de déterminer un taux de vide du milieu, (mesures effectuées grâce à un résonateur plaque dont la fréquence de résonance est située au alentour de 15kHz).
Il est à noter que le procédé de l'invention permet d'accéder à une large gamme de taux de vide mesurables, permet de ne pas avoir d'ambiguïté de mesure contrairement aux méthodes linéaires et les non linéarités des bulles dominant très largement toutes les autres non linéarités en présence (électronique, eau...), ces dernières deviennent alors négligeables. Premier exemple d'application de dispositif permettant la mise en œuyre du procédé de l'invention positionné dans un premier endroit d'un circuit primaire de réacteur nucléaire
Le procédé de la présente invention permet de déterminer le taux de bulles présentes dans un fluide caloporteur de sodium liquide. La mise en résonance d'une lame de fluide diphasique est mise en œuvre grâce à l'utilisation d'un résonateur constitué de deux plaques comme illustré en figure 3, typiquement pouvant être espacées de quelques dizaines de millimètres. Une première plaque est connectée à un émetteur, une seconde plaque est connectée à un hydrophone. L'émetteur est un transducteur émettant par exemple à 100 kHz.
Un générateur de signaux 1 alimente un amplificateur de puissance 2, connecté à un transducteur capable de générer des ondes élastiques de volume 10, le résonateur d'ondes de volume est formé par deux plaques 20.
En sortie les ondes de volume sont captées par un hydrophone basse fréquence 30, relié pour analyse à un amplificateur de charge 3, couplé à un oscilloscope 4.
Deuxième exemple d'application de dispositif permettant la mise en œuyre du procédé de l'invention positionné dans un deuxième endroit en dérivation du circuit primaire ou secondaire d'un réacteur nucléaire.
Un résonateur de type Helmoltz est défini de la façon suivante :
1 - une cavité fermée de volume Vqu'\ communique avec l'extérieur par l'intermédiaire d'un petit tube de longueur L et de section A ;
2- les dimensions pré-citées sont petites devant la longueur des ondes acoustiques considérées.
Un résonateur de Helmholtz permet d'obtenir une résonance acoustique à la fréquence de résonance du résonateur de Helmhotz définie par :
Figure imgf000013_0001
Avec A, V et L les dimensions précitées et c la célérité acoustique dans le milieu considéré.
Comme illustré en figure 4, un émetteur 1 1 est placé à une extrémité du résonateur de type Helmoltz, de manière à générer des ondes de volume, reçues au niveau de récepteurs acoustiques 31 après résonance dans la cavité 21 .

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de détermination du taux de vide dans un milieu diphasique gaz/liquide, correspondant à la fraction de volume de gaz correspondant à la présence de bulles dans le milieu liquide dans un volume total de gaz et de liquide, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
- la mise en place d'un résonateur d'ondes élastiques de volume en contact et couplé acoustiquement avec le milieu diphasique ;
- la mesure par spectroscopie de résonance ultrasonore non- linéaire du milieu diphasique comportant le balayage en fréquences et en amplitudes d'excitation acoustique dans une gamme de fréquences donnée et dans une gamme d'amplitudes donnée, d'ondes élastiques de volume émises et détectées au niveau dudit résonateur et conduisant à l'obtention d'un ensemble de courbes de résonance présentant des maxima ;
- la détermination d'une droite définie par l'ensemble des maxima desdites courbes de résonance pour des amplitudes d'excitation différentes et de la pente (a) de ladite droite ;
- la détermination du taux de vide à partir de ladite pente.
2. Procédé de détermination du taux de vide dans un milieu diphasique gaz/liquide selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comprend une étape préalable de détermination de la fréquence de résonance desdites bulles de gaz.
3. Procédé de détermination du taux de vide dans un milieu diphasique gaz/liquide selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape préalable de définition de la taille des plus grosses bulles présentes pour déterminer la plage des fréquences à balayer par la suite est effectuée par mesure optique.
4. Procédé de détermination du taux de vide dans un milieu diphasique gaz/liquide selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les bulles ayant un rayon de l'ordre d'une centaine de microns, le balayage fréquentiel par la mise en œuvre de la méthode NRUS est effectué en dessous de 33 kHz, le milieu liquide étant l'eau, les bulles étant des bulles d'air.
5. Procédé de détermination du taux de vide dans un milieu diphasique gaz/liquide selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le résonateur à ondes de volume est placé dans ledit milieu diphasique et comporte une première plaque métallique connectée à un émetteur, une seconde plaque métallique connectée à un récepteur.
6. Procédé de détermination du taux de vide dans un milieu diphasique gaz/liquide selon la revendication 5, caractérisé en ce que la première plaque est connectée à un transducteur.
7. Procédé de détermination du taux de vide dans un milieu diphasique gaz/liquide selon la revendication 5, caractérisé en ce que la seconde plaque est connectée à un hydrophone.
8. Procédé de détermination du taux de vide dans un milieu diphasique gaz/liquide selon la revendication 5, caractérisé en ce que les plaques sont les faces avant des émetteurs et récepteurs.
9. Procédé de détermination du taux de vide dans un milieu diphasique gaz/liquide selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le résonateur à ondes de volume est de type Helmholtz, le milieu diphasique étant introduit dans ledit résonateur.
10. Procédé de détermination du taux de vide dans un milieu diphasique gaz/liquide selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le liquide est un métal à l'état liquide.
1 1 . Procédé de détermination du taux de vide dans un milieu diphasique gaz/liquide selon la revendication 10, caractérisé en ce que le liquide est du sodium.
12. Application du procédé de détermination du taux de vide dans un milieu diphasique gaz/liquide selon l'une des revendications 1 à 1 1 , dans un réacteur nucléaire.
13. Application du procédé de détermination du taux de vide dans un milieu diphasique gaz/liquide selon la revendication 12, caractérisé en ce que le réacteur nucléaire est un réacteur à neutrons rapides.
14. Application du procédé de détermination du taux de vide dans un milieu diphasique gaz/liquide selon l'une des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce que le résonateur est de type plaque et est placé au sein du liquide de type sodium du circuit primaire du réacteur.
15. Application du procédé de détermination du taux de vide dans un milieu diphasique gaz/liquide selon l'une des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce que le résonateur est de type résonateur de Helmoitz et est placé en dérivation du circuit primaire ou secondaire du réacteur.
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