Post Examination of a High Flux Reactor Single Element with Ultra-Sounds

par Ghita Zaz

Thèse de doctorat en Électronique

Sous la direction de Gilles Despaux.

  • Titre traduit

    Mesure de distance inter plaques combustibles par méthode ultrasonore haute fréquence


  • Résumé

    Le Réacteur à Haut Flux (RHF) de l'Institut Laue-Langevin (ILL), uniquement dédié à la recherche fondamentale, produit le flux continu de neutrons thermiques le plus intense au monde, soit 1.5 1015 neutrons par seconde et par cm2, avec une puissance thermique de 58 MW. Ce réacteur possède un cœur constitué d'un élément combustible unique en uranium très enrichi. Dans le cadre d'une étude sur le comportement des éléments combustibles après irradiation, l'ILL souhaite développer un dispositif capable d'aller mesurer la largeur du canal d'eau. Cette mesure permettra de caractériser le gonflement des plaques, inhérent à l'irradiation, ainsi que les modifications de structure (corrosion, décollement,…). Cependant, cette mesure de distance est délicate puisqu'une résolution de l'ordre du micromètre est recherchée alors que la dimension de l'espace inter-plaques est proche du millimètre. Les contraintes d'accès sont également difficiles du fait que l'élément combustible est placé à environ 5 m sous la surface de l'eau. En outre, tous les systèmes sont soumis à de fortes radiations. Basés sur des méthodes magnétiques, capacitives ou optiques, des dispositifs permettent aujourd'hui de mesurer des distances avec une résolution nanométrique et avec des fonctionnalités pouvant être adaptées dans des conditions de températures et de pression difficiles. Ces méthodes ne peuvent cependant pas être appliquées à des systèmes fortement radiatifs ou en immersion. Afin de répondre à cette problématique, deux transducteurs ultrasonores fonctionnant en émission-réceptions ont été conçus, étudiés et ensuite développés dans le cadre de cette thèse. Ces transducteurs sont montés sur une lame en acier inoxydable de 1 mm d'épaisseur afin d'autoriser l'accès à l'espace inter-plaques. Du fait de la haute résolution recherchée, les transducteurs sont excités à une fréquence au-delà de 120 MHz et intégrés dans un ensemble d'instruments de mesure comprenant un système d'acquisition haute fréquence, un traitement de signal de haute précision et une électronique spécifique développée pour améliorer le signal d'excitation.Connaissant la vitesse du son dans l'eau et l'épaisseur de la lame, les transducteurs mesurent la distance inter-plaque à partir de la détermination du temps de vol entre l'émission d'un pulse ultrasonore et la réception des échos réfléchis sur la surface de chacune des plaques. Deux expériences in-situ conduisant à une série de mesure de distance inter-plaque ont été réalisées au sein de l'élément combustible irradié du réacteur à haut flux.


  • Résumé

    The fuel elements of High Performance and Research Reactors are usually made of plates instead of rods. During irradiation, the fuel plates undergo limited swelling and an oxide layer appears on the outer surface of the cladding. However, measuring the inter-plate distance of such fuel elements isn't trivial mainly because of the requested resolution in constraint geometry. Indeed while the typical dimensions of the water channel between plates is close to two millimeter, a resolution of one micron is needed to characterize any fuel plate swelling. In order to perform such measurements, we designed a robust device based upon high frequency ultrasonic probes and adapted to the high radiation environment. It was thinned until 1 mm in order to be inserted into the 1.8 mm width water channel. To achieve the expected resolution, the system is excited with frequencies up to 120 MHz. Thanks to a highly performing signal processing; distance measurement is carried out through the ultrasonic waves' time of flight. One of the crucial points is then the evaluation of the local water temperature inside the water channel. To obtain a precise estimation of this parameter, the ultrasonic sensor is used as a thermometer thanks to the analysis of the spectral components of the acoustic signal propagating inside the sensor multilayered structure. The feasibility of temperature and distance measurement has already been proved with success on a full size irradiated fuel element of the RHF. Some experimental constraints were identified to improve the accuracy of the measurement system in future works.


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