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Problèmes de précision dans la reconstruction de puissance dans les REP G. Bruna

TITRE DE LA PRESENTATION - SCM SA · G. Bruna . Eléments de contexte 235 U 92 ... SCM 17.11.15 – Page 3 Eléments de contexte ... on parle de 2% / an / détecteur

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Problèmes de précision dans la

reconstruction de puissance dans les REP

G. Bruna

Eléments de contexte

235

92U Produits

de fission neutronsNeutron

thermique + +

La Réaction Nucléaire

2/32

Génération de neutrons (Dans un REP environ 40 000 par sec.)

E

SCM 17.11.15 – Page 3

Eléments de contexte

La Réaction en Chaîne

Chaque fission génère :

De l’énergie (200 Mev par fission, environ 3×10-11 Joule)

Deux Produits de Fission radioactifs

Des Neutrons Secondaires qui donnent lieu à d’autres fissions

Réaction en chaîne

Génération des neutrons ((Dans un REP environ 40 000 par sec., dans un RNR environ 100 000 par sec, ….)

Si le nombre de fissions enduites par les Neutrons Secondaires à chaque génération est égales à celui de la génération précédente le processus s’auto-maintient et la puissance du réacteur se stabilise…

SCM 17.11.15 – Page 4

Eléments de contexte

Le Contrôle du Réacteur Nucléaire

La stabilité de la réaction en chaîne doit être contrôlée pour consentir le fonctionnement sûr du réacteur pendant toute sa vie

Afin de garantir le respect des conditions de sûreté, il est nécessaire de réaliser au démarrage, au début de chaque cycle, et périodiquement pendant le cycle des cartes de flux pour vérifier:

Au démarrage et au début de chaque cycle, la conformité du cœur avec le plan de chargement (positionnement des assemblages dans le cœur)

Périodiquement (ou en continu) le respect des contraintes sur les valeurs de la puissance locale du cœur (pic de puissance) afin de garantir la protection du combustible.

SCM 17.11.15 – Page 5

COEUR

Parc en

exploitation :

CFM

EPR : Aeroballs

US-3D

Alarme

Arrêt

d’Urgence

Mobiles

Collectrons (SPND)

Eléments de contexte

L’instrumentation de Mesure du Flux

Fixes

SCM 17.11.15 – Page 6

Cartes de flux :

Mesures périodiques (au démarrage, puis tous les mois)

Requièrent une stabilisation prolongée de la puissance

Fournissent une trace axiale de flux (d’activité en fait …) par assemblage instrumenté

EPR : Aeroballs ; Parc en exploitation : Chambres à Fission Mobiles (CFM)

Comparaison avec les traces axiales calculées :

1. Les écarts calculs/mesures sont utilisés directement dans la qualification des chaînes de calcul neutronique pour évaluer les incertitudes

2. Les écarts calculs/mesures sur les assemblages instrumentés sont « étendus » par un « algorithme d’extension » à tout le cœur pour reconstruire une distribution 3D de flux « pseudo-mesurés »

Les Cartes de Flux

Eléments de contexte

SCM 17.11.15 – Page 7 7

Processus d’établissement des Carte de Flux

Mesures sur les assemblages instrumentés

Calcul 3D (partout)

Ecarts calculs/mesures sur les ass. intrumentés

Incertitudes pour la qualification des codes

Ecarts calculs/mesures sur le cœur entier

Algorithme « d’extension »

Pseudo-mesures sur le cœur entier =

« Carte de flux »

Suivi de l’irradiation des coeurs

Calibrage du système de protection

Eléments de contexte

SCM 17.11.15 – Page 8

Aeroballs (AMS):

Mesures périodiques de référence

Collectrons (SPND):

Mesures permanentes utilisées en surveillance et en protection

L’instrumentation in-core de l’EPR

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Des questions ouvertes

L’algorithme d’ « extension »:

Les mesures sont affectées d’incertitudes : le mieux n’est pas forcément de passer au plus près des mesures

L’idéal: rechercher une nappe d’écarts calculs/mesures tenant compte de l’imprécision des mesures et des erreurs de code

On peut voir cela comme un problème d’assimilation de données dans lequel le code fournit une ébauche de la carte qu’il faut améliorer grâce aux mesures, en tenant compte de leurs incertitudes

L’IRSN ne dispose pas des algorithmes utilisés par EDF et AREVA

Dans l’EPR, la proportion d’assemblages instrumentés (avec des aeroballs) est inférieure à celle des différents paliers du parc (avec des CFM)

Perte de précision des cartes de flux reconstruites ?

SCM 17.11.15 – Page 10

Les Collectrons – le système de protection et surveillance

12 cannes collectrons

SCM 17.11.15 – Page 11

Géométrie réelle (Sec. R-R)

Représentation géométrique (Sec. R-R) APOLLO

MCNP APOLLO

Hétérogénéité axiale

Hétérogénéité radiale

Les Collectrons - le système de protection et surveillance

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Les Collectrons – le système de protection et surveillance

72 =6 x 12 détecteurs :

12 cannes comportant 6 détecteurs

6 tranches axiales du cœur instrumentées avec 12 détecteurs radialement répartis

Utilisation des signaux pour protéger le réacteur vis-à-vis de certains risques :

Interaction pastille gaine (IPG): puissance linéique maximale

Risque de crise d’ébullition: calcul du RFTCmin en ligne

Seuil de surveillance alarme

Seuil de protection arrêt d’urgence

SCM 17.11.15 – Page 13

Spécificité physique des Collectrons

Dans le cas présent, les collections utilisent le Cobalt comme cible;

La capture d’un neutron par l’isotope stable du Cobalt (Cobalt 59) produit le

Cobalt 60, très radioactif. La demi-vie du Cobalt 60 est assez longue (5¼ ans),

il se désintègre en émettant un rayon gamma très pénétrant;

La Section efficace de capture du Co 60 pour les neutrons thermiques est de

l’ordre de ~100 barn.

L’intégrale d résonance du Cobalt est d’environ 75 barn. Ce qui

signifie que la capture est repartie sur un spectre énergétique assez

large;

L’on constate un faible effet d’épuisement qui nécessite une

compensation avec le temps;

Les collectrons mesurent le courant produit par la capture des gamma

émis (nécessité de compenser le bruit de fond).

SCM 17.11.15 – Page 14

Estimation de la puissance linéique maximale dans le cœur à partir des 72 signaux collectrons :

Hypothèse de proportionnalité entre la puissance mesurée par chaque collectron et la puissance linéique maximale dans la tranche axiale à laquelle il appartient

Le coefficient de proportionnalité est établi à l’occasion de chaque carte de flux

Il est ensuite utilisé pendant le fonctionnement pour établir la puissance linéique maximale du cœur :

Un exemple: la puissance linéique maximale (1/2)

K(i,j)=Pmax(j)/I(i,j)

Puissance maximale de la tranche axiale j (1 à 6), Issue de la carte de flux

Signal collectron (i,j) (canne numéro i, tranche axiale numéro j) pendant la carte de flux

Coefficient de calibrage

Pmax(i,j)=K(i,j) x I(i,j) puis Pmax_coeur = 2nd max des 72 valeurs

SCM 17.11.15 – Page 15

Un exemple: la puissance linéique maximale (2/2)

Dans toutes les conditions de fonctionnement possibles, l’hypothèse de proportionnalité n’est pas vérifiée rigoureusement. Un terme d’erreur censé majorer la plus grande déviation possible par rapport à l’hypothèse de proportionnalité est ajouté en permanence : la Tracking error :

Carte de flux Puissance linéique

maximale de référence

Collectrons Puissance linéique

maximale collectrons

Tracking error

En imaginant qu’on fasse une carte de flux

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Evaluation de la Tracking Error (TE)

Calculs de cœur :

Simulation du calibrage en situation stabilisée

Evaluation de la réponse des collectrons dans des situations couvrantes:

le fonctionnement normal : Tracking error surveillance (alarme)

le fonctionnement incidentel : Tracking error protection (arrêt d’urgence)

On retient comme Tracking error un majorant du plus grand écart entre la puissance linéique maximale calculée et celle reconstruite avec les collectrons

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Un problème en plus : la fiabilité des Collectrons

Taux de défaillance des collectrons : on parle de 2% / an / détecteur

Des campagnes se termineront donc avec k=1,2,3 … collectrons en panne

Le concepteur évalue donc la TE(k), fonction du nombre de collectrons en panne (jusqu’à k=5)

L’évaluation de TE(k) requiert donc de trouver la « pire situation » en termes de :

Position des k collectrons en panne

Situation normale ou incidentelle perturbant la nappe de puissance au voisinage des collectrons affectés, mais pas ailleurs (« créer la pire perturbation non vue par le système de surveillance / protection »)

Idées pour évaluer la TE et son évolution en fonction du nombre de collectrons en panne (TE(k)) ?

SCM 17.11.15 – Page 18

Questions ouvertes

L’instrumentation et l’approche adoptées dans l’EPR peuvent-elles

engendrer une perte de précision des mesures (avec, en conséquence,

une réduction des marges de sûreté)?

En fonctionnement normal

En transitoire

En situation incidentelle / accidentelle?

Si oui:

Cette perte de précision a-t-elle un impact sur l’opérabilité sûre de la

tranche?

Comment peut-on procéder pour :

Vérifier cette perte de marges de sûreté,

Promouvoir les actions pour quantifier cette perte.

Analyse du problème

Le problème a été posé de la façon suivante:

“Quantifier l’augmentation d’incertitude sur la valeur de la

reconstruction du point chaud dans le cœur engendrée par la

défaillance d’un collectron”;

En d’autres termes « connaissant le nombre de neutrons qui sont

collecté par un collection à un moment donné, quelle est la loi de

probabilité pour le point chaud? »

• Ceci permet la quantification de l’incertitude de la reconstruction.

• Il a fait l’objet d’un contrat avec la SCM en 2010 ;

Il a été aussi traité in extenso dans la Thèse de Mme Olga Zeydina ;

Il a donné lieu à une publication à la Conférence ICAPP 2011 en Mai

2011 “Probabilistic Safety Assessment and Reliability Engineering:

Reactor safety and Incomplete Information”.

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Analyse du problème

Il s’agit d’un problème inverse pas banal car

- Il est non linéaire par nature,

- En raison du fait qu’il s’agit d’un milieu multiplicateur, l’information reçue par les détecteurs n’est pas directe, mais indirecte, via la filiation des neutrons;

• Le transport des neutrons en milieu hétérogène multiplicateur étant un phénomène complexe, le problème a été très fortement simplifié (criticité du cœur, isotropie et continuité de l’émission de neutrons, traitement des interfaces entrée milieux, discrétisation en énergie – neutrons monochromatiques dans un premiers temps, discrétisés en deux groupes d’énergie, ensuite…);

• Le problème a été d’abord traité en 2D et ensuite généralisé au cas 3D.

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Analyse du problème

La solution du problème inverse repose sur la fonctions de transfert qui rende compte du rapport entre neutrons émis par le point chaud et neutrons récoltés dans le collectron.

En tenant compte des incertitudes sur la production de neutrons, la fonction de transfert devient une variable aléatoire, représentée par sa loi de probabilité.

Dans les deux modélisations géométriques, on constate que toute perte de collectron engendre une augmentation d’incertitude sur la reconstruction du point chaud.

La méthode couplant fortement l’incertitude sur la reconstruction et les quantités mesurées par les collectrons, nécessite un traitement statistique pour pouvoir monter en généralité et représentativité.

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• Les résultats obtenus dans les deux modélisations - 2D et 3D - et dans l’approximation monocinétique et à deux groupes d’énergie montrent une cohérence substantielle.

• Comme il était aussi attendu, le lien existant entre la précision de la prédiction du point chaud et la disponibilité des collectroins se confirme.

• Se confirme aussi la dépendance spatiale de cette sensibilité.

• Néanmoins, en 3D, les sensibilités sont moindres,

• Toutefois, en 3D, la perte de précision engendrée dans le pire des cas considéré - perte d’une canne entière due, par exemple à une coupure de connexion électrique - apparait relativement faible comparée à l’incertitude initiale qui affecte le cas de référence dans lequel tous les collectrons sont supposés disponibles et fonctionnant normalement.

Résultats

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• Généraliser le traitement aux cas plus réalistes

• Réduction des approximations sur le comportement des neutrons

• Prise en compte de la solution réelle de l’Eq. du transport

• Faire le lien entre les conclusions et la TE

• Tirer des conclusions transposable à la conduite et à la surveillance du réacteur

Reste à faire (par l’exploitant ?)

IRSN/SCM 29/04/2010 – Page 24

MERCI DE VOTRE ATTENTION