ViVi I KUM Gestion INIS Doc. enreg* M N. TRN : ls CRN-VIV-109. LES ESSAIS EN TENSION DU VIVITRON JJVL HELLEBOID et le groupe Vivitron 1 MARS 1992 CENTRE DE RECHERCHES NUCLEAIRES STRASBOURG IN2P3 UNIVERSITE v CNRS LOUIS PASTEUR f.*i
LES ESSAIS EN TENSION DU VIVITRON J 1 M. Helleboid et le groupe Vivitron The initial commissioning of the Vivitron generator has been continued this year. Unfortunately, several unexpected difficulties, most of which were connected with the gas handling system, arose in the course of the year, leading to a severe hampering of all tests. The latter had to be stopped as of August 7, 1991, when a major accident of chemical nature occurred, resulting in pollution of the entire Vivitron. An intermediate voltage level of 17.6 MV had been reached but with high parasitic currents from the rollers to the belt and not without damage to the column. In spite of repeated monitoring, it later became apparent that an excessive degree of humidity had prevailed in the machine during all tests. This condition was probably responsible for the anomalies observed. Indroduction Le début de l'année a été consacré à des opérations de mise au point relatives aux problèmes rencontrés sur les systèmes auxiliaires lors de la première montée en tension à 10,7 MV en fin d'année dernière [I]. Deux campagnes d'essais ont alors été menées, la première (117 h), a permis d'atteindre 17,6 MV au terminal, la seconde (84 h) 15,8 MV. Chaque fois la colonne a subi des dommages comparables malgré certaines modifications apportées entre temps. Suite aux craintes du fabricant des plots isolants les essais en tension ont alors été d'abord suspendus puis malheureusement stoppés du fait de deux accidents majeurs intervenus sur le système de gaz, le second entraînant une sévère pollution chimique de toute l'installation. Le reste de l'année a été occupé aux réparations et nécessaires modifications du système de gaz et au nettoyage de la machine qui devrait s'achever fin janvier 92. Les essais en tension [2] La première montée en tension au niveau de 10,7 MV avait été effectuée sitôt le générateur complété (montage mécanique, tests d'étanchéité, tests et conditionnement du système de charge), mais avant que nombre d'équipements auxiliaires aient pu être testés et mis au point (barres de court-circuit, appareillage de mesures, système de contrôle provisoire mais surtout le système de gaz). Les travaux de janvier ont permis d'améliorer partiellement le fonctionnement de ces équipements jusqu'à un niveau minimal pour permettre la continuation des essais. A ce stade, les problèmes principaux du système de gaz et en particulier l'impossibilité de recirculer n'ont pu être résolus. Néanmoins l'apparente absence d'humidité dans la machine, fondée sur l'affirmation réitérée d'un taux d'humidité du gaz non évolutif, et de l'ordre de 5 vpm comme déjà lors du premier fonctionnement, a conduit à continuer les essais en tension. Une première campagne du 29 janvier au 8 février a permis d'atteindre 17,6 MV au terminal après 177 heures de fonctionnement et 11 claquages pour une pression de 6,8 bars. La valeur de 16 MV a été dépassée à la fin de la période et maintenue plusieurs heures sans instabilité apparente. Le niveau des courants parasites, fortement accru par rapport à décembre, entraînait cette fois une distorsion longitudinale du potentiel encore plus importante de 36 % à 17,6 MV soit l'équivalent de 20 % à 35 MV. Après arrêt pour une intervention programmée sur le système de gaz et ouverture pour inspection, des arborescences résultant de décharges superficielles étaient observées sur un plot mais surtout sur plusieurs des planches isolantes de la colonne. Après un certain nombre de modifications ponctuelles sur celle-ci et l'ajout de peignes éliminateurs dans les sections mortes, une seconde campagne a été menée du 21 au 27 mars. Une haute tension de 15,8 MV a été atteinte cette fois après 84 heures et 22 claquages avant qu'un dernier claquage n'entraîne l'apparition de petites décharges systématiques localisées, à partir de 8 MV. Les dommages observés après ouverture étaient tout-à-fait de même nature que précédemment hormis au niveau des sections mortes où la modification testée semble avoir donné satisfaction. A l'inverse les tentatives pour éviter les décharges sur les planches isolantes au niveau de la jonction avec les portiques comme pour s'affranchir des courants parasites sur les rouleaux n'ont pas abouti à ce stade. s-!
1 Suite aux craintes de CM. Cooke sur la tenue des plots isolants aux surtensions lors des claquages, les essais ont d'abord été suspendus momentanément en l'attente d'une meilleure compréhension du comportement dynamique. Les efforts ont alors été orientés simultanément dans différentes directions : V à court terme : - Réparation des dommages et en particulier changement de deux planches détériorées par les décharges. - Réalisation des modifications aux interfaces des sections mortes pour l'ensemble de la machine. - Réduction du nombre de rouleaux du système de charges compatible avec les intensités réduites nécessaires pour les essais du générateur de manière à diminuer l'amplitude de la distorsion longitudinale du champ électrique. 2) à moyen et long terme : - Etude et essais de solutions pour limiter ou compenser les courants parasites des rouleaux du système de charge [3]. - Analyse des causes possibles des dommages subis, recherche de solutions, études et mise en oeuvre. Analyse des problèmes rencontrés Suite aux dégâts occasionnés lors des deux premières campagnes d'essai, un travail de réflexion sur les différents aspects de la conception de la machine a été mené en particulier en collaboration avec M. Letournel. En même temps, à l'initiative de CM. Cooke, un travail plus directement lié à l'étude du comportement dynamique et décrit par ailleurs [4] a été entrepris. Les principaux points d'abord mis en cause furent : L'emploi d'arceaux conducteurs pour le supportage des électrodes colonne à partir des planches isolantes, la réalisation de la fixation du diviseur sur ces mêmes planches, ainsi que la forme de la connexion électrique entre les électrodes colonne et le diviseur, notamment au niveau du raccordement des portiques à la colonne. Le fort couplage de la colonne avec son environnement résultant du raccordement direct des portiques à celle-ci. Le couplage par les heptagones des portiques entre eux conduisant à un comportement de ligne de transmission avec une impédance caractéristique de l'ordre de 18 Q plutôt que les 125 Q estimés lors de la conception. La valeur sans doute beaucoup trop élevée d'allumage des éclateurs longitudinaux formés par les électrodes colonne ne permettant pas une réelle protection de l'intérieur vis-à-vis de l'extérieur. La forte contrainte électrique au niveau des planches isolantes comparée à la tenue en tension du matériau lui-même, compte tenu de la cartographie du champ électrique en particulier lors d'un claquage. La qualité du matériau constituant les planches isolantes. La validité des tests effectués sur celles-ci dans l'accélérateur CN avec une seule section accélératrice, en particulier en ce qui concerne le comportement dynamique de la structure. Rapidement certaines modifications allant dans le sens de rendre la réalisation plus conforme à la conception étaient décidées : - remplacement des fixations métalliques du diviseur de tension par des fixations en mat de verre-époxy pour supprimer une source d'activité en regard des planches en cas de transitoire. - remplacement des arceaux métalliques supportant les électrodes colonne à partir des planches isolantes par des arceaux isolants de même géométrie. Compte tenu du nombre de pièces concernées et de leur prix une première commande a été limitée aux électrodes de jonction des portiques soit 28 arceaux. - remplacement de la connexion électrique entre les électrodes colonne et le diviseur qui constituait un chemin préférentiel vers les planches en cas de claquage extérieur par une liaison directe. - modification des électrodes colonne pour réduire la tension d'amorçage longitudinal entr'elles. Là aussi du fait de l'ampleur d'une telle modification un essai était prévu sur seulement un ou deux espaces. Les réalisations mécaniques correspondantes ont été étudiées et lancées. Entre temps, une fois les dégâts dans le Vivitron réparés et les modifications possibles (blindage des fixations des planches dans toutes les sections mortes et fixations isolantes du diviseur dans deux sections pour essai) effectuées, il a été décidé de reprendre des essais partiels à pression de gaz réduite de manière à explorer le comportement électrostatique de la structure tout en évitant les dégâts du fait de la diminution de la contrainte sur les isolants comme de l'énergie stockée. Aussi, du fait de la mise en cause du couplage résultant de la jonction directe des portiques à la colonne, 13 des 14 terminaisons de chacun des portiques ont été démontées pour essai. En même temps émergeait l'idée que les décharges sur les planches aient éventuellement pu être la cause des claquages observés plutôt que leur conséquence soulevant à nouveau la question de la tenue en tension du matériau isolant, non :- L
seulement lors de fortes contraintes transitoires, mais du simple point de vue du champ électrostatique, et mettant encore en cause la validité des tests effectués sur le CN, cette fois au niveau du matériau lui-même, compte tenu du temps de stockage important entre ces tests et les essais dans le Vivitron. Parmi les hypothèses, la présence d'une trop forte humidité, maintes fois soulevée déjà, avait toujours été écartée du fait de la mesure répétée d'un point de rosée toujours apparemment excellent, voisin de 5 vpm. Un simple contrôle mit rapidement en cause tant l'appareillage lui-même que le mode opératoire, conduisant à une mesure erronée, optimiste et quasiment constante depuis les tous premiers essais quel que soit l'état réel d'humidité du gaz. Une mesure correcte indiquera à ce stade une proportion d'eau de 240 vpm! Dès lors une question primait toutes les autres : "Dans quelle mesure l'humidité présente a-t-elle été la cause tant des difficultés de tenue en tension et des dégâts observés que des valeurs élevées et croissantes des courants parasites au niveau du système de charge? " La meilleure manière d'y répondre était de reprendre immédiatement les essais en tension après avoir asséché la machine ce que n'ont malheureusement pas permis les problèmes croissants rencontrés avec le système de gaz. Principales difficultés et incidents sur le système de gaz A part nombre de problèmes non résolus malgré lesquels il était possible de fonctionner une difficulté majeure restait de ne pouvoir recirculer le gaz. Une première tentative pour étudier cette question a malheureusement conduit, à la suite d'une fausse manoeuvre, à la dispersion de 10 ce de mercure dans l'installation, et possiblement en faible proportion, dans la machine. Après plus d'un mois d'immobilisation consacré au nettoyage et au dégazage de l'installation, le problème de recirculation put enfin être étudié et la cause identifiée comme des pertes de charges excessives dans l'ensemble du circuit et principalement au niveau du sécheur lui-même. Tel que, il était néanmoins possible de recirculer jusqu'à 3 à 4 bars en tournant à vitesse moitié et en dérivant une partie du flux hors du sécheur. Cette procédure a été appliquée pour un premier séchage avant de réactiver la charge d'alumine du sécheur par chauffage dans un flux d'air. Après vidage, du gaz SFg prélevé sur Ie Vivitron fut réintroduit trop tôt dans le sécheur non encore refroidi, entraînant sa décomposition thermique et la formation, par hydrolyse des produits de réaction, d'un ou plusieurs litres de liquide fortement acide entraîné ensuite dans le circuit et jusqu'au Vivitron par l'effet du recirculateur malencontreusement en fonctionnement à ce moment. Du fait de leur agressivité, ce liquide et les produits de décomposition gazeux ont entraîné la destruction complète du sécheur ainsi qu'une pollution sévère et généralisée de l'ensemble de l'installation. Grâce à la récupération du sécheur de l'accélérateur MP, le circuit a pu être remis en état deux mois après l'accident du 7 août et la machine dépressurisée après purification du gaz le 20 octobre. L'ampleur des dégâts alors observés dans le Vivitron lui-même dépassait les craintes des plus pessimistes, chaque pièce, chaque surface, chaque recoin, ayant été pollué par le gaz chargé d'acides et de produits corrosifs. De surcroît l'atmosphère régnant à l'intérieur du réservoir n'en permettait pas l'accès sans protection respiratoire. La dépollution [5] Après analyses, consultations et essais pour déterminer le mode de nettoyage et les moyens à mettre en oeuvre il a été fait appel à une entreprise extérieure spécialisée dans la dépollution chimique. Le travail avec une équipe de 20 personnes s'est poursuivi jusqu'à la fin de l'année pour tout l'extérieur de la colonne et partiellement l'intérieur. Le reste du nettoyage nécessite d'importants démontages à faire par nos soins et pourrait être achevé pour la fin janvier 92. Conclusion Durant l'année écoulée un grand nombre de problèmes, plus qu'on pouvait raisonnablement en attendre dans un tel projet, ont été rencontrés, Ia plupart relatifs au système de gaz. De ce fait seulement 240 heures de fonctionnement du Vivitron ont pu être consacrées aux essais en tension. Qui plus est la mesure erronée du point de rosée du gaz durant toute cette période et l'humidité correspondante de la machine lors de ces essais rendent les observations et résultats non significatifs. Néanmoins les hautes tensions obtenues dans ces conditions avec des dommages limités constituent tout de même un résultat encourageant qui laisse espérer de bonnes performances dans Ia mesure où l'ensemble des difficultés rencontrées, tant la valeur excessive des courants parasites que les dommages observés, peuvent résulter de la seule humidité. Un autre aspect positif est d'avoir suscité une réflexion approfondie, notamment sur les aspects dynamiques du
fonctionnement du Vivitron et du comportement des isolants, ainsi que sur le système de gaz et plus spécialement le processus de séchage, qui n'avait pas été menée jusque là. Les incidents, et particulièrement l'accident majeur intervenu le 7 août sur le système de gaz, ont entraîné un retard conséquent et une somme très importante de travail (réparations, démontages, dépollution, remontages...) sans réel intérêt pour le Vivitron. Ce retard a pourtant permis la préparation de modifications qui seront mises en oeuvre en début d'année amenant dans la réalisation un meilleur respect de la conception originale. Après séchage du gaz les essais haute tension pourront reprendre dans les meilleures conditions. Références [1] Première montée en tension du Vivitron, J.M.Helleboid et coll. Rapport d'activité du C.R.N. 1990 et Rapport d'activité Vivitron, CRN-VIV-96,1991 [2] Start of the Vivitron as an H.V. Electrostatic Generator, J.M.Helleboid and the Vivitron Group. Communication au S.N.E.A.P.'91 Santa Fe, octobre 1991 [3] Fonctionnement du système de charge du Vivitron lors des essais de tension. Nouveaux développements, J.M.Helleboid et coll. Présent rapport d'activité. [4] Phénomènes transitoires dans le Vivitron, G.Frick et coll. Présent rapport d'activité. [5] La dépollution du Vivitron après l'accident sur le système de gaz, J.M.Helleboid, J.Mac Cordick et le groupe Vivitron. Présent rapport d'activité. V I-