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PYROMÉTRIE OPTIQUE POUR LE SUIVI DE TEMPÉRATURE DE GAINE EN APRP SIMULÉ (RJH)

13 FÉVRIER 2014

Journée technique SFT 2014 | DEN/DANS/DPC/SEARS/LISL – URCA/GRESPI

Liana Ramiandrisoa, N. Horny, G. Cheymol, T. Duvaut

AVANT-PROPOS

| PAGE 2 CEA | 13 FEVRIER 2013

Thèse janvier 2011 – mai 2014 > post-doctorat?

Etude et développement d'une mesure pyrométrique en cœur de réacteur pour le suivi de la

température d’une gaine de combustible : application à l’étude des accidents de perte de

réfrigérant primaire (APRP) au cours d’essais de simulation dans le réacteur expérimental

Jules Horowitz (RJH)

Participants

Groupe de Recherche en Science pour l’Ingénieur (URCA GRESPI/CATHERM)

Directeur de thèse Thierry Duvaut, co-encadrant Nicolas Horny

CEA

Laboratoire Ingénierie des Surfaces et des Lasers (DEN/DANS/DPC/SEARS/LISL)

Encadrant CEA Guy Cheymol

Département Matériaux Nucléaires (DEN/DANS/DMN/SRMA)

Service Physique Expérimentale (DEN/CAD/DER/SPEX)

Service Réacteur Jules Horowitz (DEN/CAD/DER/SRJH)

Combustible

Gaine

Tem

péra

ture

(°C

)

Temps (s)

APRP

Oxydation

Source CEA Cadarache

Injection eau

Eclatement gaine Relâchement produits de fission

Transitoire APRP

AVANT-PROPOS

Accident de Perte de Réfrigérant Primaire (APRP)


Primaire: § P=155 bars § Tf=295°C § Tc=325°C

REP en situation normale REP en situation accidentelle Primaire: § Chute pression § Éjection vapeur eau § Vidange cœur

Survenue d’une rupture guillotine

Sour

ce C

EA C

adar

ache

APRP

REP = Réacteur à Eau Pressurisée

| PAGE 4 CEA | 13 FEVRIER 2013 Modèle : le dispositif Griffon


AVANT-PROPOS

Paroi zircone C

rayon combustible

LORELEI

LORELEI (Light water One Rod

Equipment for Loca Experimental

Investigation) dispositif expérimental

pour simulation de transitoire APRP

sur un unique crayon combustible

au Réacteur Ju les Horowi tz

(Cadarache):

q  Thermomécanique

q  Contamination

PLAN

Objectif

Défis Techniques

Pyrométrie (expérimental)



Can

al fr

oid

Can

al c

haud

Légende (a)  Paroi

zircone (b)  Crayon

combustible

Situ

atio

n no

rmal

e

Situation accidentelle

(a) (b)

Vapeur d’eau eau

Suivi de température

"   Mesure à distance de la température gaine déportée par fibre optique

"   Temps réel (max ~1s) "   Plage : 700 à 1200 °C "   Incertitude : +/-10°C

CAHIER DES CHARGES DU PYROMÈTRE

Fibre optique

APRP LORELEI

Axe de symétrie


Zone d’intérêt

Transitoire APRP

Tem

péra

ture

(°C

)

Temps (s)

Combustible

Gaine


Démarche adoptée

Compréhension du signal émis par la gaine 1/3

C o m p o r t e m e n t d e s f i b r e s e n environnement sévère (fortes irradiations et hautes températures) 2/3

Traitement du signal par pyrométrie 3/3 Gaine (Zircaloy-4)

combustible

Fibre optique

Paroi zircone

~9,5mm

STRATÉGIE DE L’ÉTUDE

PLAN

Objectif

Défis Techniques



| PAGE 9

Luminance émise par gaine (loi de Planck) ]//²/[

)1(),(

25

1 msrmWe

CTLTCCN

−×

=λλ

λ

gaine (métal)

gaine (oxyde)

1≤gaineε

]//²/[),(),( msrmWTLTL gCNgaine ελλ ×=

gCNL ε×

Visée

CEA | 13 FEVRIER 2013

gaineε"   Longueur d’onde

"   Température

"   Rugosité

"   Épaisseur d’oxyde

"   Matériau (alliage Zr)

"   Angle d’incidence

"   Transition de phase solide/solide

"   Fissuration

Visé

e

Phy

sico

-ch

imie

Sur

face

Multiplication capteurs?

Zircaloy-4

COMPRÉHENSION DU SIGNAL GAINE (DÉFI 1/3)

"   Atmosphère

| PAGE 10

Comportement des fibres optiques en environnement sévère (irradiation et température)

Fibre optique

Domaine limité 800-1700 nm [1]

Visée

[2] G. Cheymol et al., 2009 CEA | 13 FEVRIER 2013

Ci-dessus: évolution des pertes en transmission de la fibre STU2 (50cm) durant le cycle 1. Ci-dessous: description des conditions expérimentales

-  Radiation Induced Attenuation (RIA) -  Luminescence -  Pics scintillation & absorption

COMPORTEMENT DES FIBRES (DÉFI 2/3)

[1] F. Jensen et al. 1997

[2]

| PAGE 11

Méthodes pyrométriques (CDC ±10°C)

vers détecteur (méthode pyrométrique)

-  Comparaison méthodes -  Propagation des incertitudes -  Etalonnage


"   Bichromatique

"   Monochromatique

"   Polychromatique (méthode inverse) Mét

hode

s

"   Bayes

"   GUM

Ince

rtitu

des

"   Températures « ambiantes »

"   Corps noir in situ ?

"   Transmission fibre

Eta

lonn

age

Capteur température

Fibre dédiée

Simulation

PYROMÉTRIE THÉORIQUE (DÉFI 3/3)

PLAN

Objectif

Défis Techniques




Banc de mesure T & ε(λ) d’échantillons de gaine Zircaloy-4 Air ambiant

Spectromètres: - NIR512 900-1700nm - NIR256 1000-2500nm

Corps Noir max 1200°C (Etalon LNE)

Chauf fan t max 1000°C Lc ~10cm

V i s é e (lentilles)

Module Thermocouple

Thermocouple N bi fils + et – Ø 0,5 mm

Echantil lon Zircaloy-4 Øext 9,5 mm CHAUFFANT

ÉLABORATION D’UN BANC DE MESURE


Spectromètres (NR)

Temps intégration fixé

PRINCIPE DE MESURE DU BANC

Corps noir (Tc)

Calcul fonction de transfert "↓$ (')=)(')∗*↓$ (')++(')

Planck

Ech

antil

lon

(TTC

)

*↓,-ℎ (')= "↓,-ℎ (')−+(') /)(') 

*↓$ (') "↓$ (')

Température échantillon?

1*↓,-ℎ/2" (')=√(*↓,-ℎ (')/)(') )↑2 1)↑2 + (1/)(') )↑2 1+↑2 +2*↓,-ℎ (')/)(')↑2  -56(),+)+ (1/)(') )↑2 1"↓,-ℎ ↑2  

σLcn ²

Reproductibilité du thermocouple soudé


QUALIFICATION THERMOCOUPLE (1/3)

Reproductibilité à 0,45°C

Thermocouples n°1 (T1) et n°2 (T2) soudés sur le même échantillon puis introduits dans un four à 800°C. n°1 n°2

Dérive du thermocouple soudé

| PAGE 16 CEA | 13 FEVRIER 2013 Dérive nulle sur ~1h


Etalonnage du thermocouple soudé / thermocouple certifié de type N


Banc gradient (modélisation Comsol) erreur ~ -10 à 20 °C stage T. Fritel

Four isotherme (expérimental) erreur ~ +4 à 6°C

Gradient : thermocouple soudé plutôt fidèle mais pas représentatif de la zone optiquement visée (~10°C)


Palier de consigne (température interne de l’élément chauffant)


MESURE PYROMÉTRIQUE: ÉCHELON TEMPÉRATURE

ΔTchauffant ΔTthermocouple

G74-119d (pré-oxyde ~15µm)

Consigne 905°C 855°C

Spectromètre NIRquest256 (temps intégration 17ms) Acquisition 1


MESURE PYROMÉTRIQUE: SPECTRES BRUTS

Hypothèse ε constante > calcul bichromatique (λ, λ +Δλ)

G74-119d (pré-oxyde ~15µm) Corps Noir

(consigne)

Echantillon à 855°C en consigne


MESURE PYROMÉTRIQUE: BICHROMATIQUE

Moyenne

Polychromatique

76,- '′= '↓1 '↓2 /'↓1 − '↓2   et ici ε₁=ε₂

[ ]15

2

1

1

22

1

2

ln'1 −

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= K

LL

cT CN

CN

λλ

εελ

Rappel Bichromatique

(Wien)

Réseau inefficace




MESURE PYROMÉTRIQUE: COMPARAISON ΔT

Méthode de mesure Acquisition 1 Acquisition 2 ΔT (°C)

Elément chauffant (central) 925 875 -50

Thermocouple soudé* 815 774 -41

Bichromatique* (λ=1,5-1,6µm/ 50 nm) 821 783 -38

Polychromatique* (1,4-1,8 nm) 822 (ε≈0,872)

784 (ε≈0,877)

-38 (Δε=0,005)

* Moyenne temporelle


Concordance des ΔT



MESURE PYROMÉTRIQUE: VALIDATION INVERSE (1/2)

8*/89 ∗9/8*/8: ∗: 

Sensibilité du polychromatique (spectre n°0000)


-  Paramètres suffisamment non corrélés

- Prédominance du paramètre t e m p é r a t u r e ( x 1 0 ) m a i s émissivité non négligeable S

ans

dim

ensi

on



MESURE PYROMÉTRIQUE: VALIDATION INVERSE (2/2)

Résidus du modèle constant (spectre n°0000)


Difficulté de valider les rés idus car « b ru i t » échantillon surestimé


σLcn dLech/CN

dσech

Indication Planck à 780°C ~ 109 W/m²/sr/m


MESURE PYROMÉTRIQUE: CONCLUSIONS


"   Thermocouple valide en relatif (ΔT) plus qu’en absolu "   Polychromatique plausible sur la zone « stable » en bichromatique (sensibilité)

"   Bi- et polychromatique "  ΔT cohérent avec thermocouple "  Températures semblables <1°C "  Températures cohérentes avec le gradient Comsol

ε constante sur plage 1.4-1.8 µm = hypothèse réaliste


Résultats expérimentaux – mesure d’émissivité relative (Hypothèse Tbichromatique) Air ambiant


MESURE ÉMISSIVITÉ RELATIVE

~768°C ~780°C

~783°C

Bichrom

atique Δλ=40 nm

*

~796°C

εfit (G74-‐119d)

λ=2,3µm T=1100°C ε≈ 0,853 [1]

λ=1,0µm T=1300°C ε≈ 0,905 [1]

[1] Mathew 1989 [2] Kovalev & Melnikov 1979 [3] Burgoyne & Garlick 1976

Totale T=560-1280°C [2]

Totale T=560-1280°C ε≈ 0,76 (oxyde 10µm) [3]

* Moyenne temporelle

Cohérent avec la littérature


Points en cours

Compréhension du signal émis par la gaine 1/3 Mesure émissivité spectrale en air du Zircaloy-4 Pré-oxyde à 15µm stable en émissivité de 780 à 820°C avec un profil globalement plat. ε(λ)~0,89

C o m p o r t e m e n t d e s f i b r e s e n environnement sévère (fortes irradiations et hautes températures) 2/3 - Synthèse bibliographique

Traitement du signal par pyrométrie 3/3 Calculs pyrométriques et incertitudes Bichromatique valide sur bandes étroites (Polychromatique valide sur bandes plus larges)

CONCLUSION

DEN DPC SEARS

Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives Centre de Saclay | 91191 Gif-sur-Yvette Cedex T. +33 (0)1 69 08 77 72 |

Etablissement public à caractère industriel et commercial | RCS Paris B 775 685 019

| PAGE 27


MERCI POUR VOTRE ATTENTION

COMMUNICATION ANIMMA 2013 Pyrometry Techniques for Temperature Monitoring in

simulated LOCA (JHR) RRFM IGORR 2012

In-core Optical Thermometry for the future LORELEI LOCA test of the JHR (MTR)

Journée Fibre optique sous irradiation 2011 Contraintes des fibres optiques en milieu sévère

AVANT-PROPOS


Ci-dessus Comparaison entre le thermocouple et la température optiquement déterminée

Bibliographie pyrométrie optique en cœur de réacteur "   JENSEN et al. 1997 (Japon)

"  Capteur extrémité de fibre "  Thermométrie par fibre dopée OH 900ppm "  Tenue des fibres jusqu’à 800°C

| PAGE 29

Gaine combustible

Signal parasite environnement

]//²/)[1(),(),( msrmWTRTR genvCNenv ελλ −×=


CONTEXTE – OBJECTIF – DÉFIS TECHNIQUES (1/3)

"   Température ambiante

Signal parasite

Capteur température paroi

0,0%

0,5%

1,0%

1,5%

2,0%

2,5%

3,0%

3,5%

700 800 900 1000 1100 1200

Renv/Rg (%

)

Température gaine (°C)

1.1 µm

1.7 µm

sim

ulat

ions

P. R

oux

(CE

A)

Tenv

gaine (métal)

gaine (oxyde)

Visée

]//²/[)1(

),(2

5

1 msrmWe

CTRTCCN

−×

=λλ

λ 1≤gaineε

]//²/[),(),( msrmWTRTR gCNgaine ελλ ×=

Luminance émise par gaine (loi de Planck)

gCNR ε×

| PAGE 30

Comportement des fibres optiques en environnement sévère (irradiation et température)

Fibre optique

-  Radiation Induced Attenuation (RIA) -  Luminescence -  Pics scintillation & absorption

Transmission possible 800-1700 nm



1,E+06

1,E+07

1,E+08

1,E+09

1,E+10

8,6E-‐07 1,1E-‐06 1,3E-‐06 1,5E-‐06 1,7E-‐06

Radian

ce (W

/m²/sr/m

)

Wavelength (m)

Luminescence (Cerenkov) Planck's law (750°C) [3

] F. J

ense

n et

al.,

199

7

"   diminue

" Tenv reste constant (design)

Lorsque Tgaine augmente

),(),(

TRTR

g

Cerenkov

λλ

Visée



Comportement des fibres optiques en environnement sévère (irradiation et température) -  Radiation Induced Attenuation (RIA) -  Luminescence -  Pics scintillation & absorption

Transmission possible 800-1700 nm

Zone d’absorption/scintillation dépendant de la composition gaine

Visée

Fibre optique

[4] T

. Kak

uta

et a

l., 1

998

| PAGE 32

Fuel rod To detector CEA | 13 FEVRIER 2013


Design du capteur

"   Résistant température et irradiations

"   Transparent

"   Résistant milieu oxydant Pro

tect

ion

fibre

: hub

lot

"   Design visée (miroir, lentille)

"   Diamètre fibre et courbure

"   Résistant milieu oxydant

Min

iatu

risat

ion

"   Etanchéité

"   Résistant vibrations

"   Résistant température (300 – 800°C) Te

nu

e m

écan

ique

Fibre optique


Points à traiter

Compréhension du signal émis par la gaine 1/3 - Extension mesure émissivité spectrale sous vapeur d’eau - Rugosité et fissuration - Autres alliages Zr… C o m p o r t e m e n t d e s f i b r e s e n

environnement sévère (fortes irradiations et hautes températures) 2/3 - Design capteur - Essais irradiation du capteur…

Traitement du signal par pyrométrie 3/3 - Etalonnage capteur

CONCLUSION

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