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

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

2 Eléments de contexte La Réaction Nucléaire Neutron thermique U E + Produits + de fission neutrons Génération de neutrons (Dans un REP environ par sec.) 2/32

3 Chaque fission génère : Eléments de contexte La Réaction en Chaîne De l énergie (200 Mev par fission, environ 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 par sec., dans un RNR environ 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 Page 3

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 Page 4

5 Eléments de contexte L instrumentation de Mesure du Flux Mobiles Parc en exploitation : CFM EPR : Aeroballs COEUR Fixes Collectrons (SPND) US-3D Alarme Arrêt d Urgence SCM Page 5

6 Eléments de contexte Les Cartes de Flux 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» SCM Page 6

7 Eléments de contexte Processus d établissement des Carte de Flux Mesures sur les assemblages instrumentés Calcul 3D (partout) Ecarts calculs/mesures sur les ass. intrumentés Algorithme «d extension» Incertitudes pour la qualification des codes Ecarts calculs/mesures sur le cœur entier Pseudo-mesures sur le cœur entier = «Carte de flux» Calibrage du système de protection Suivi de l irradiation des coeurs SCM Page 7

8 L instrumentation in-core de l EPR Aeroballs (AMS): Mesures périodiques de référence Collectrons (SPND): Mesures permanentes utilisées en surveillance et en protection SCM Page 8

9 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 Page 9

10 Les Collectrons le système de protection et surveillance 12 cannes collectrons SCM Page 10

11 Les Collectrons - le système de protection et surveillance Hétérogénéité axiale Géométrie réelle (Sec. R-R) Hétérogénéité radiale MCNP APOLLO Représentation géométrique (Sec. R-R) APOLLO SCM Page 11

12 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 Page 12

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 Page 13

14 Un exemple: la puissance linéique maximale (1/2) 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 K(i,j)=Pmax(j)/I(i,j) Coefficient de calibrage 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 Il est ensuite utilisé pendant le fonctionnement pour établir la puissance linéique maximale du cœur : Pmax(i,j)=K(i,j) x I(i,j) puis Pmax_coeur = 2 nd max des 72 valeurs SCM Page 14

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 : En imaginant qu on fasse une carte de flux Carte de flux Collectrons Puissance linéique maximale de référence Puissance linéique maximale collectrons Tracking error SCM Page 15

16 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 SCM Page 16

17 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 Page 17

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)? Si oui: En fonctionnement normal En transitoire En situation incidentelle / accidentelle? 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. SCM Page 18

19 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. SCM Page 19

20 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. SCM Page 20

21 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. SCM Page 21

22 Résultats 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. SCM Page 22

23 Reste à faire (par l exploitant?) 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 SCM Page 23

24 MERCI DE VOTRE ATTENTION IRSN/SCM 29/04/2010 Page 24