- Email: [email protected]
Jet de cloisonnement: Phenomenes vibratoires possibles et effets neutroniques sur les detecteurs en coeur
Progress in Nuclear Energy. 1985, Vol. 15, pp. 261-272 Printed in Great Britain.
1~079-6530/85 $0.00 + .50
JET D E CLOISONNEMENT: PHENOMENES VIBRATOIRES POSSIBLES ET EFFETS N E U T R O N I Q U E S SUR LES D E T E C T E U R S EN C O E U R P.
BERNARD,* C.
CH.
MESSAINGUIRAL-BRuYNOOGHE,*
PUYAL,**
C.
V I N C E N T * * AND R .
J.
CLOUI~,*
BAEYENS***
*CEA/Cadarache, DRE/SEN/LPA, B.P. No 1, 13115 Saint-Paul-Lez-Duranee, France **EDF, E & R, 6 Quai Watier, 78400 Chatou, France ***Laborelec, B 1640, Rhode Saint Genese, Belgique
ABSTRACT
Le Jet de baffle est un ph~nom~ne qui peut conduire ~ une d~gradatlon Impportante d'assemblage et qul affecte, ou est susceptible de le faire, les R.E.P.I circulation descendante. II reste important de d~tecter en cours d'exploltation les assemblages soumls au Jet afin de pr6volr une s~quence d'examen pr~cls de ces assemblages en fin de campagne. Le bruit neutronique en coeur intervlent I~ eomme moyen pratique de surveillance mals trouve une llmlte intrlns~que dans la r~partltion spatiale des d~tecteurs. Nous passons an revue, un ensemble d'hypothlses m~canlques plausibles, des processus de t r a n s m i s s i o n e n v £ s a g e a b l e s , e u f i n , en u t i l i s a n t l e s r ~ s u l t a t s de / 1 8 / nous examinons parmi l e s h y p o t h e s e s , c e l l e s q u i d o n n e r a l e n t un s i g n a l v i s i b l e s u r un d ~ t e c t e u r i n - c o r e p l u s p r o c h e v o i s i n . Nous t i r o n s l e s c o n c l u s i o n s pour l ' a m ~ l i o r a t i o n de l a s u r v e i l l a n c e du probl~me J e t de b a f f l e p a r b r u i t n e u t r o n i q u e en c o e u r .
INTRODUCTION
Ltanalyse des fluctuations des slgnaux des d~tecteurs neutronlques en coeur des r~acteurs ~ eau pressurls~e peut apporter des Informatlons Importantes pour la surveillance des composants du coeur. Les prlnclpauK ph~uom~nes que 1'on peut observer sont : les vibrations (normales ou auormales) des assemblages combustlbles et l'ebullltlon en coeur, De nombreuses publications out ~t8 f a i t e s s u r c e s s u J e t s e t nous ne c i t o n s i c i qua q u e l q u e s r ~ f ~ r e n c e s / 0 / ~ / 4 / . Nous p r ~ s e n t o n s i c i l e s r ~ s u l t a t s de l a p o u r s u i t e de nos t r a v a u x / 5 / ~ / 8 / s u r l a s u r v e i l l a n c e " du c o m b u s t i b l e p a r a n a l y s e des f l u c t u a t i o n s n e u t r o n t q u e ~ des d ~ t a c t e u r s m o b i l e s en c o e u r des R . E . P . 900 MWe F r a n ~ a i s , e t p l u s s p ~ c t f i q u e m e n t s u r 1 ' o b s e r v a t i o n des m a n i f e s t a t i o n s de s ph~nom~nes d i t de " J e t de b a f f l e " . Ces travaux s'effectuent dans l e c a d r e de c o l l a b o r a t i o n e n t r e o r g a n i s m e s de r e c h e r c h e (CEA, LASORELEC) e t e x p l o t t a n t s (EDF, SEMO). Nous a l l o n s , dans une p r e m i e r e p a r t t e , a n a l y s e r l e s s o u r c e s de f l u c t u a t i o n s assocl~es aux vibrations normales des assemblages combustibles. La deuxi~me partle pr~sentera l e s m a n i f e s t a t i o n s du J e t de b a f f l e e t nous nous e f f o r c e r o n s de p r o p o s e r des t n t e r p r ~ t a t i o n s p o s s i b l e s et de d~gager la possibillt~ d'appllcatlon pour la surveillance en fonctionnement.
?L;ICTIIATIONS COMBUSTIBLES
NEUTRONIQUES
EN
COEUR
ASSOCIEES
AUX
VIBRATIONS
NORHAL£S
DES
ASSEMBLAGES
La f i g u r e 1 /7~ s c h 6 m a t t s e l a c o n c e p t i o n a c t u e l l e que nous a vons des s o u r c e s d ' e x c i t a t i o n des v i b r a t i o n s m~caniques p r o v o q u a n t l e s f l u c t u a t i o n s n e u t r o n t q u e s des d ~ t e c t e u r s h o r s c o e u r e t en c o e u r . Les sources primaires d'excitation Si s o n t s y m b o l i s ~ e s p a r de s f l ~ c h e s o n d u l ~ e s , e t l e s d ~ p l a c e m e n t s c o r r e s p o n d a n t s AXJ p a r des d o u b l e s f l ~ c h e s d r o i t e s . S1 r e p r ~ s e n t e l e s f l u c t u a t i o n s de p r e s s i o n dans l ' ~ c o u l e m e n t de l ' e a u e n t r e c u r e e t e n v e l o p p e de c o e u r , p r o v o q u a n t l e s v i b r a t i o n s m~caniques b i e n c a r a c t ~ r i s ~ e s de l ' & c r a n t h e r m i q u e (AXTS) (pour l e o r ~ a c t e u r s c o m p o r t a n t un ~ c r a n t h e r m i q u e c i r c u l a i r e ) e t de l t e n v e l o p p e de c o e u r . Ces v i b r a t i o n s p r o voquent essentiellement des f l u c t u a t i o n s s u r l e s d ~ t e c t e u r s h o r s c o e u r , s u r l e s q u e l l e s nous ne r e v i e n d r o n s pas i c i / 7 / ~ / 1 0 / .
261
262
P. BERNARDet al.
Les vibrations, dans le plan horlzontal, de la plaque inf~rleure du coeur , AXLCP, indultes par SI, provoquent elles-m~me un d~placement Impos~ du pled des assemblages AXFA. Ce processus est sch~matls~ sur la figure 2. La valeur de la fr~quence ~ 7.2 Hz, visible sur DSP AXLCP(f) correspond au mouvement de balancement principal de l'enveloppe de coeur . Les fr~quences ~ 3.2 Hz et 6.4 Hz sont les deux premieres fr~quences propres des assemblages.
~~
ANNEADL U CALAGE
~~,
PLAQUE SUPERE IURE DECOEUR
4
CUVEDEREACTEDR
PANIER DE COEUR
/
G
ECRA~ T I HERM(IUE
Ax~B
.->
~(l'p
'--- S]
FG I UREN*I
<-.-i
CRAYON .¢.COMBUSTB ILE
FA
\
z~XL,,
/
/
7'
ASSEMBLAGEC SOMBUSTB ILES
PLAQUE N I FERE I URE DEC0EUR
._,
~
f
f
OE L ' ~
f.
f
FIGURE N'2
-?
NAPSD
3.2x10
I _~" | 3 ~"/~
| \}=J | ~
/@i 3.2 xlO "=
(Hz ''1)
G7%nd 8th grid
~.
i=¢i.
5 6~ndTU'grid
\
4 3=°.d 6*%~id
6 ~l,
,
5 5tbgrld
~ll~"
* ,",r,d
'
FREQUEHCY (Hz') 10
FIGURE 3
20
-t
-
,
,
,
, °
A
Jet de cloisonnement
0.~ e (z,f)
(z,f)
0,5 1 H (z,f)
f = 3,2 H7.
f : 6,4 HZ
.
f=IHZ
263
5
HODUI.ES(--) DE LA FONCTION DE TRANSFERT DE LA REPONSE HF_.CAHIQUE D'UN ASSEHBLAGE CONSIDERE COHHE UNE POUTRE,A UNE EXCITATION iHPOSEE A SON P I E D (S~4ULATION)
~GURE N°k
BAS t OE LASSEPEL.a~E HILIEU
----
.......... HAUT
% 10-10
..m,,~J~: : s
,.
1042
\
/
•.. ..%***...,..****
1043
•
f 1
2
I 3
I 4
I S
FIGURE N° 6
I 6
i T
I I
HZ
EXEHPLE DE SIHULATION DE 4 POUTRESLIEES PAR DES POINTS OE CONTACT
264
P. BERNARD et al.
La DSP de S I pr~sente l'allure chutante typlque des fluctuations de presslon. La figure 3 pr~sente l e s DSP des f l u c t u a t i o n s des s i g n a u x d ' u n d ~ t e c t e u r n e u t r o n i q u e en coeur plac~ dans un assemblage a plusleurs c~tes axiales, alnsi que la phase de la denslt~ spectrale d'Interactlon (DSPI) entre le signal de ce d~tecteur et celul d'un d~tecteur hors coeur en vue de la deml partle Inf~rleure du combustible. Nous avons effectu~ une mod~lisation tr~s simple (et ~ one seule dimension, alors que les mouvements horlzontaux de la plaque inf&rieure de coeur et des assemblages sont ~ deux dimensions) de la r~ponse m~canlque de Itassemblage consld~r~ comme une poutre, a une excitation correspondant ~ un d~placement impos~ du pied de l'assemblage. Cette ~tude eat pr~sent~e en annexe. Le module permet de calculer H (z,f). La figure 4 pr~sente les modules e t phases de H ( z , f ) pour q u e l q u e s f r ~ q u e n c e s t y p e s : 0.I Hz (r~ponse en quasi corps rlglde) 3.2 Hz ( p r e m i e r e fr~quence p r o p r e ) 6.4 Hz ( s e c o n d s fr~quence p r o p r e ) Les caract~rlstlques m~caniques de is poutre (p,E,l,S) correspondent aux donn~es m~canlques. Le terms de dissipation "a" a ~t~ a ~ u s t ~ dans un premier temps, pour obtenlr un amortlssement de l'ordre de 20 ~, comme on peut l'observer sur les spectree de bruit neutronlque sur r~aeteur. $elon l'hypoth~se que nous retenons actuellement, les mouvements de l'assemblage n'entralnent pas le d~tecteur mobile en coeur (Jeux tube guide - dolgt de gent et dolgt de gant - chambre, grand devant les amplitudes vlbratoires). On peut donc consld~rer qu'un d~placement en flexion de l'assemblage provoque une variation de taux de comptage du d@tecteur en coeur par effet de d~placement de la chambre dans un gradient de flux
/~/, /~6/. Darts un d~placement en corps rlglde d~un assemblage p~rlph~r£que vers l'ext~rieur, le signal du d~tecteur neutroulque augments (augmentation de flux) alnsl que celui du d~tecteur huts coeur (r~ductlon de lame d'eau). Les r~sultats de la figure 4 soot coh~rents avec la courbe de phase pr~sent~e sur la figure 3. La figure 5 presents les r~sultats de notre mod~lisatlon appliqu~e ~ la simulation du processus sch~matis~ sur is figure 2. On a port~ sur la figure 5 la valeur de :
IH(z,f)12X DSPXLc P ( f ) en fonctlon de f e t pour plusleurs valeurs de la cote z la courbe DSPXLcF(f ) a ~t~ d~dulte des specres de bruits neutronlques hors coeur. On peut observer que : l'amplltude de la r@ponse ~ 3.2 Hz ~volue blen en fonetlon de la cote et correspond bien au type de d~form~e pr~sent~e sur la figure 4. Par ailleurs, nos calculs montrent que vers 7 Hz et en has, l'assemblage r~pond surtout en vibration forc~e par le d~placement qu'impose ~ 7.2 Hz la plaque Inf6rleure de coeur e t que la r~ponse propre ~e l'assemblage ~ 6.4 Hz apparalt de fa~on pr~pond~rante ~ mesore que la cote augmente. Ces r ~ s u l t a t s sont q u a l i t a t i v e m e n t eoh~rents avec les courbea e x p ~ r t m e n t a l e s de la f i g u r e 3. Nous avons remarqu~ que lee spectre8 de bruits neutronlques (Cf. Fig.3) pr~sentent des r~sonances assez larges (amortlssement de l'ordre de 20 %) , alors que les r~sultats des essais vibratolres, sur des assemblages Indlviduele, effectu6s eu laboratolre, montrent que lea amortlssements sont tr~s faibles (de l'ordre de 0,5%) et que lea spectres de r~ponse pr~sentent donc des plcs tr~s ~troits. L'expllcatlon de la largeur de plc sur lea spectres de bruit ueutronlque sur r~acteur dolt ~tre qu'll exlste des contacts permanents entre chaque assemblage et ses volsins (de l'ordre de 4) /II/.
IE -?
mil~
!
o'tm ~
A UNE Ex~ra#mN
) 4mmma~s
7£4'i
m
ImUL~m~
\
1E't I
I'E-'IO" ~ ' .,I 0
1
....
J .... ~
! .... 3
f .... 4,
I .... S
I .... |
I .... 7
I,,,,|r,, 4
g
d
10 id~
Jet de cloisonncmcnt
265
Nous avons &tudi~, avec le mod@le simple d~crlt en annexe, le comportement de 4 assemblages~ exclt~s de la m~me fa~on , par les vibrations de la plaque inf~rieure de coeur , ayant entre eux des points de contact, comme Indlqu~ sur la figure 6. Les c a r a c t ~ r i s t l q u e s de chaque p o u t r e de chaque a s s e m b l a g e (E, I , p, S, a ) s o n t pos ~ e s d i f f ~ r e n t e s , a v e c une d i s p e r s i o n conforme ~ ce q u t p e u t e x i s t e r darts l a r ~ a l i t ~ , l e s f r ~ q u e n c e s p r o p r e s du p r e m i e r mode out l e s v a l e u r s s u i v a n t e s : 3.5 Nz ; 3.65 Rz ; 3.7 Nz ; 3.8 Rz. Le c o e f f i c i e n t de d i s s i p a t i o n "a" c o r r e s p o n d ~ un a m o r t i s s e m e n t de 0 , 5 %. Les r~sultats de cette simulation sont pr~sent~s sur la figure 7, un syst~me de 4 poutres en contact d~crit sur la figure 6. L'effet est clairement visible et ces r~sultats se rapprochent beaucoup ( F i g . 3 ) (~ c e c i p r o s que s u r r ~ a c t e u r , i l e x i s t e ~ l a l i m i t e 157 les autres}.
analogue ~ la figure 5, mais pour d'~larglssement des r~sonnances y de ce qu'on observe sur r~acteur p o u t r e s en c o n t a c t l e s unes a ve c
FLUCTUATIONS NEUTRONIQUES ASSOCIEES AUX VIBRATIONS DES ASSEMBLAGES EN PRESENCE DE JET DE BAFFLE Les autres sources d'excltatlon symbolls~es sur la figure I~ sont : - S2 qul repr~sente les fluctuations de presslon reli~es aux turbulences de l'~coulement ascendant (ph~nom~nes normaux, mals dont la contribution aux vibrations normales des asssemblages dolt ~tre falble devant celles que provoquent les vibrations de la plaque inf~rleure de coeur) ou dues ~ des ~ventuels d~blts transverses entre assemblages ("cross flow") par exemple en cas de dlff~rence de pertes de charges entre grilles d'assemblages voislns. Cette hypoth~se est ~voqu~e dans la r~fErence
/z2/. - S3 q u i r e p r ~ s e n t e l ' e x c i t a t i o n
vibratoire
due au Jet de b a f f l e ,
Rappels technologlques Le probl~me du Jet de baffle est g~n~rlque et li~ A la conception du clolsonnement et ~ celle de l'~coulement du flulde de refroidlssement dans les r~acteurs ~ ~coulement descendant. Dans les r~acteurs de ce type, le refroldlssement des plaques entretolses se falt par un ~coulement descendant entre enveloppe et clolsonnement. D'autre part, le refroldlssement du coeur se falt par un ~coulement ascendant depuls le bus du coeur. Dans ces conditions il exlste une dlff~rence de pression entre les ~coulements sltu~s de part et d'autre du baffle qul se tradult par une force appllqu~e sur les parols de ce dernler. Le baffle est une structure polygonale compos~e de plaques d'acler de 2,86 cm d'~palsseur, r~guli~ rement fix~es aux plaques entretolses, elles-m~mes reliSes ~ l'enveloppe du coeur. De plus, les pla ques du c l o i s o n n e m e n t s o n t a s s e m b l i e s ~ 90 ° l ' u n e de l ' a u t r e p a r de s v i s qut a x i a l e m e n t s o n t s i t u ~ e s au n i v e a u d es p l a q u e s e n t r e t o i s e . Dans l a p a t t i e s u p ~ r i e u r e du c o e u r o5 l e (AP e a t p l u s i m p o r t a n t ) c e s v i s s o n t beaucoup p l u s r a p p r o c h ~ e s . L o t s de l a raise en p l a c e du c l o i s o n n e m e n t l ' e s p a c e e n t r e 2 plaques volsines ne dolt pas exceder : 0,04 ~m .
Cependan t , au t o u r s des c y c l e s de f o n c t i o n n e m e n t e t , s e l o n r o u t e v r a i s e m b l a n c e p a r s u i t e de s d i l a t a t i o n s , d es c y c l a g e s t h e r m i q u e s e t des f l u c t u a t i o n s du AP s a n s c e s s e a p p l i q u & s u r l e c l o i a o n n e m e n t , les crlt~res d'espacement entre plaques peuvent ne plus ~tre respect~s et on a pu mesurer dans cer talns caa des jeux sup~rieurs ~ 0,13 mm. Par cet espace p~n~tre un Jet d'eau froide qul est suscep tlble de rencontrer avec plus ou moins de violence les crayons les plus proches et de leur occa s i o n n e r des d ~ g a t s p l u s ou moins i m p o r t a n t s . D~s l e d~but de l ' a p p a r i t i o n de ce ph~nom~ne des ~ t u d e s ont ~t~ menses a f i n d ' e n t e r r i e r l e s param~ t r e s l e s p l u s i m p o r t a n t a . Par a i l l e u r s , l e s r ~ s u l t a t s d ' u n e ~ t ude s u r m a q u e t t e e f f e c t u ~ e au J a pon b ~ / ont montr~ q u ' i l e x i s t e une v a l e u r c r i t i q u e de l a q u a n t i t ~ de mouvement du J e t ~ p a r t i r de l a q u e l l e l e s c r a y o n s s o n t b r u s q u e m e n t soumis ~ des v i b r a t i o n s de g r a n d e a m p l i t u d e . C e t t e m a q u e t t e a ~t~ con~ue pour ~ t u d i e r f t n e m e n t l t i n f l u e n c e des d i v e r s p a r a m ~ t r e s h y d r a u l i q u e s du ph~nom~ne. Une a u t r e m s q u e t t e , c i t ~ e en / 1 4 / ~ t a i t p l u s s i m p l e , e l l e s ' i n t ~ r e s s a i t plus directement 1 ' a s p e c t m~canique du probl~me : g l i s s e m e n t de f r ~ q u e n c e s des c r a y o n s e n t r e l ' ~ t a t norma l e t l ' ~ tat excit~ et influence sur l'assemblage entler de l'excltatlon locale, Les r~sultats concernant le comportement vlbratolre des crayons sont slmilalres : - Fr~quence de vibration des crayons avant l'apparition de vibrations Instables : entre 34 et 40 Hz - Fr~quence de vibration des crayons apr~s l'apparltion des vibrations instables : entre 22 et 26Hz
266
P. BERNARD et al.
De plus, la r~f~rence /14 / indlque que la vibration du crayon provoque une vibration de l'assemblage dans son ensemble. Ii faut, cependant remarquer que cet entralnement ne peut exlster que sl le crayon est encore suffisamment solldalre de l'ensemble du fagot. Apr~s un test d'endurance qul a conduit ~ des crayons tr~s d~t~rior~s, les auteurs de la r~f~rence ~13/ ont observ~ un changement complet de la r~ponse vlbratolre des crayons. Ceux-ci pr~sentaient un spectre plat m~me dans les r~glons de leurs fr~quences naturelles.
Observation nlques
des ph~nomenes
apparalssant
sur les spectres
des fluctuations des d~tecteurs neutro-
Des s~ries de campagnes de mesures ont 8t8 effectuSes sur le r~acteur TIHANGE I (SEMO) et sur ceux de BUGEY (EDF) Dans les cas o~ exlstalt le ph~nom~ne de Jet de baffle on pouvait observer une rSsonnace caractSrlstlque vers 22 Hz (Fig. 8, 9, I0)
i~
FIGURE 8
FIGURE 9 ~(.i
!,i.v< !
*~
i
-
i
'
r"~.
10" I
NAl~O
FIGURE i0
V
'
10" le
~
I I b ~ I m I1~ I I H l i lllk i~11 • Fl~lH~,
50
En compllant 1'ensemble des r~sultats observes, nous avons pu ~tablir les remarques sulvantes : - La r~ponse observ~e vers 22 Hz est caract~rlstlque de l'exlstence de l'excltatlon par le Jet de baffle mals pas de l'~tat des gaines. - Lorsque l'on place des plaques ou syst~mes de protection des crayons, ou qu'on proc~de au rempla cement des crayons combustibles par des crayons postlches (inox ou zlrcaloy), la r~sonance ~ 22 Hz est touJours pr~sente de faqon quasi identlque . -Dans certalns cas d'assemblages soumls au Jet de baffle et d~t~rlor~s, la ~ s o n a n c e vers 22 Hz avalt dlsparu.
Jet de cloisonnement
267
Discussion Pour dlseuter des interpr~tatlons possibles de ees manifestations, on peut envisager quelques hypotheses. 1 °) Le Jet de baffle falt vlbrer los crayons p~rlph~rlques vers 22 Hz avee des amplitudes importantes (dane certalns cas excesslves eomme ont p u l e montrer les observations d'assemblages d~grad~s) et c'est l'effet neutronlque , ~ distance, de cos d~placements qul provoquent la r~sonance sur los DSP des slgnaux du d~tecteur neutronlque en eoeur. Cette hypoth~se parait peu plausible pour los deux raisons sulvantes : L'ordre de grandeur des amplitudes de fluctuations neutronlques qui seralent produites seralt tr~s falble, m~me pour des vibrations importantes des crayons p~rlph~riques /16/ . - Lorsque l'on a plae~ sur les crayons p~rlph~riques un dlsposilf annulant quaslment leur vibration, on observe aussl nettement la r~sonanee vers 22 Hz. 2 °) Lee fluctuations de pression dues au Jet de baffle exeltent un mode propre particuller de l'assemblage. Cette excitation ne peut se transmettre que sl le contact grille - crayons p~riph~riques est correct. La DSP des fluctuations de presslon peut ~tre soit d'allure g~n~rale chutante (de faGon slmilalre ~ celle de la figure 2) ou sulvant l'hypoth~se ~voqu~e par le Pr ALBRECHT /15/ , pr~sentant une modulation due ~ la vibration en mode coque de l'enveloppe de coeur (18 ~ 22 Hz) ce qui pourrait expliquer le nlveau d'exeltation sufflsament ~lev~ vers 22 Hz. -
La locallsatlon g6om6trlque du Jet 6tant sltu6e vers le milieu de l'assemblage, nous avons slmul6 par le calcul (volr annexe) la r6ponse de l'assemblage a une force d'excitatlon localls6e en son milieu. Lee r6sultats port,s sur la figure II, montrent qu'on excite effeetlbvement un mode ~ 23 Hz et apportent un soutlen ~ cette derni6re hypoth~se
FIGURE i i
REPONSE D!UN
ASSEMBLAGE CONSIDERE COMME UNE POUIRE A UNE FORCE D'EXCITATION
I00
EXERCEE EN SON MILIEU I0
(SIMULATION)
i
J
12
,
,
,
15
'
2'o
Le falt qu'on observe parfois la r6sonance ~ 22 Hz sur des assemblages voislns dolt ~tre Ii~ aux contacts entre assemblages assurant la transmission des vibrations.
CONCLUSION
Los bases de la surveillance des vibrations des assemblages combustibles par fluctuations neutroniques en coeur, nous paraieeent bien 6tablies. Elle peut apporter une contribution pour le diagnostic et le suivi d'anomalles telles que le ph~nom6ne de Jet de baffle. L'analyse m6eanique doit @tre poursuivie (essais sur maquette). Ii est clair que le fair que les d6tecteurs en coeur ne puissent pas explorer tous los assemblages du coeur pr6sente une certaine limitation pour la surveillance. N6anmolns , eette m6thode de surveillance, recoup~e avec l'analyee de l'actlvlt~ du circuit prlmaire nous semble apporter une aide utile ~ l'expoitant en permettant - De v~rifier qu'un r6acteur n'est pas soumis au ph~nom6ne de jet de baffle ou d'en d6tecter pr6cocement l'apparltion - De v6rlfier d~s le red~marrage l'effloaeit~ d'une solution (ex : martelage des Joints de baffle) - De suivre l'6volutlon des ph~nom~nes pour apporter des informations ~ l'exploitant en ce qui concerne la gestion de son combustible au rechargement.
P. BERNARD et al.
268
ANNEXE
Mod~llsation du eomportement vlbratolre d'un assemblage combustible repr~sent~ par une poutre simple.
L t a s s e m b l a g e e s t r e p r ~ s e n t ~ par une p o u t r e v e r t l c a l e slmple e t homog~ne t r a v a i l l a n t L t ~ q u a t l o n qul r ~ g l t l e s d~placements v l b r a t o l r e s e s t 4~
(z,t)
+
a ~-~z't)st +
o~
x(z,t)
"
fCz.t}El
est le d~placement vlbratolre est la cote vertlcale
z
C "
C - ' ~ - -5~2I x ( z , t )
en f l e x i o n p u r e .
EI ps
E I P S
est le module d'young le moment d'Inertle Is m a s s e l l n ~ l q u e Is section de la poutre le terme de dissipation la force lln~ique appllqu~e
a
f (z,t)
1 °) Comportement dtun assemblage exclt~ par les d~placements, dams le plan horizontals de la plaque inf~rleure de coeur
Les c o n d i t i o n s aux l l m l t e s c o n s l d ~ r ~ e s s o n t : • Rotul~e en h a u t , d~placement nul • Encastrement en bas au niveau de l a plaque i n f ~ r l e u r e de l a forme e ~ j ~ t
l e syt~me ~ r ~ s o u d r e s ' ~ c r l t
~x
2x
~t
x(L,t)
O
-
~_(~t)
o,t)
x(O,t)
-
=
-0
=
0
o
dem~ d~rlv~e par v a l e u ~ s u p ~ r l e u r e S
e 2Hilt
dem~ d e r l v ~ e par v a l e u r s i n f ~ r l e u r e s
(d~placement d ' a m p l l t u d e u n l t ~ )
l e syst~me ~ t a n t l l n ~ a i r e ,
l a s o l u t i o n e s t de l a forme :
de coeur e t d~placement Impos~
Jet de cloisonncment
269
x(z,t) ffiX (z,f) e 2Hilt nous noterons ~)2~ + 5z 4
l~(o,f)
21]Jft
a
bl (L, f)
X (z,f)
=
qui e s t s o l u t i o n de
H (z,f)
4 ~ H2 4 2H H
- ~
- 0
= 0
-
(4
l
Apr~s d i s c r ~ t t s a t t o n en z, l e s d ~ r i v ~ e s ~ t a n t d i v i s ~ e s , le s y s t e m s (2) e s t r ~ s o l u pour un
e s t i m ~ e s p a r l e s f o r m u l e s u s u e l l e s des d i f f e r e n c e s Jeu de ( p , a, E, I , S) e t pour cheque fr~quence
chotsie.
Les r ~ s u l t a t s ,
pour l e s d i f f ~ r e n t s
cas c o n s i d 6 r ~ s , s o n t p r ~ s e n t ~ s dens l e t e x t s du p a p i s t .
2 ° ) Comportement de lWassemblaRe e x c i t ~ par une f o r c e f l u c t u a n t e de l a forms g ~ 0 , t ) - 6 ( z , z 0 ) e 2 ~ j ~t ( f o r c e d ' a m p l i t u d e u n i t ~ ) l a s o l u t i o n e s t de l a forme
+ a 2~JfK ~(L, f)
-
ffi 0
4112f2 K
.
: x(z,t)
= K (z,z0,f)
localis~e et appliques ~ la cotez 0
e 2 W ~ t qui e s t s o l u t i o n de
6 (z-z 0)
(3)
(L,f)
~
+
K(o,f)
(o,f)
-
o
- 0
Le syet~me (3) e s t r ~ s o l u s u i v a n t le m~me p r t n c i p e que le syst~me 2 3** Comportement d ' u n ensemble d t a s s e m b l a g e s en c o n t a c t , e x c i t e s i n f ~ r i e u r e de coeur
par l e s d~placements de l a p l a q u e
L ' a s s e m b l a g e i a l e s p o i n t s de c o n t a c t aux c o t e s Zct t avec l t a s s e m b l a g e J. Pour calculer la r~ponse ~ (z,f) de l'assemblage I,on exprlme qu'il
270
P. BERNARD et al.
s'excerce aux points zc&j une force Ft~ telle que
%
F~ + F~g,f) ffi0 ~. (zc&~'f) ~£(z~
ffi
__j
_I (&) d~placement ~gaux aux points de contact
~l(z,f)
est donn~ par l'expresslon
~tCz,f)
ffi Hi (z,f) + Z K . C',*.,~, 0 F¢3(F) ,) J
(S)
4) comportement d'un ensemble d'assemblages en contact, dont l'un d'entre eux (N°I) est exclt~ par une force F4.~ en z¢ de la forme ~'4,o(a,t) ~ ( z - 7 - . , o ) e 2rt~t
De m~me q u ' e n 3 l ' a s s e m b l a g e t a l e s p o i n t s de c o n t a c t c o n s t a n t s aux c o t e s z ~ t ~ ( z ~ avec l ' a s s e m b l a g e J. La r ~ p o n s e ~ ( z , f ) de l ' a s e m b l a g e t , a pour e x p r e s s i o n
oh ~L,g est le symbole de kronecker ( 64,~
ffi I, 6g,l ffi 0 sl i # i)
o~n les F&j (f) se calculent en r~solvant le syst~me (6)
[
= z¢~£)
Jet de cloisonnement
271
REFERENCES /0/ G. KOSALY, LJ. KOSTIC, L. MITEFF, G. VARADI, and K. BEHRINGER "'Investigation of the local component of the neutron noise in a BWR and its application to the study of two-phase flow" SMORN 2 Septembre 1977 /i/
P. LIEWERS "Noise investigations PRAGUE 21-25 Juin 1982
wlth an experimental
fuel assembly
in a PWR specialist meeting
A.I.E.A.
/2/ L.MITEFF, K. BEHRINGER "Investigation of the relation between the RMS neutron noise and local void fraction in the bubbly flow region of a BWR" SMORN 3 - TOKYO 26-30 Octobre 1981 /3/
T. KATONA, L. MESKO "Diagnostics
lysis"
/4/
A.I.E.A.
anomalies
in PWRs using neutron noise ana-
D. WACH,
analysis /5/ 1981
of thermohydraulic PRAGUE 21-25 Juin 1982
R. SUNDER "Improved PWR neutron noise interpretation SMORN 2 " Gatllnburg Tenessee 19-23 Septembre 1977
P. BERNARD et all
"PWR core monitoring
based
by incore noise analysis"
on detailled
SMORN 3
/6/ P. BERNARD, J. CLOUE, Ch. MESSAINGUIRAL "Detection and monitoring neutron noise analysis" SMORN 3 TOKYO 26-30 Octore 1981
vibration
TOKYO 26-30 Octobre
of boiling in PWRs by incore
/7/ P. BERNARD et all "Experience with utilisation of neutron noise in PWRs for monitoring and internal structures" Specialist meeting A.I.E.A. PRAGUE 21-25 Juln 1982 /8/ P. BERNARD, JC. structures vibrations Octobre 1981
/9/ These
the fuel
CARRE et all "Quantitative monitoring and diagnosis of French PWRs Internal by excore neutron noise and accelerometers analysis" SMORN 3 TOKYO 26-30
P.
BERNARD "Fluctuations ORSAY 1978
neutroniques
dans
les
r~acteurs
de puissance
~ eau
sous
pression"
/i0/ R. ASSEDO, P. BERNARD, JC. CARRE, J. CLOUE, A. EPSTEIN "PWR neutron noise surveillance sources and their effects" A.I.E.A. NPPCI Specialist meeting Munich 1979 /ii/
LECLERC
Communication
personnelle
(FRAGEMA)
/12/ C. PUYAL, R. BAEYENS et all "Analyse des anomalies de bruit neutronique combustibles dlff~rents" SMORN 4 DIJON 15-19 Octobre 1984 /13/ K. FUJITA SMIRT 6 1981
et all "Flow-induced
/14/
Y. FUJITA
M.A.P.I.
/15/
Pr R. ALBRECHT
vibration of PWR fuel assembly
Communication
Universit~
: noise
li~es ~ la presence de
by baffle
leakage
cross-flows"
personnelle
de Washington
Communication
personnelle
/16/ P. BERNARD, C. MESSAINGUIRAL, J. CLOUE "Liaison entre vibrations d'origlne m~caniques tuations du flux neutronlque dans les R.E.P." SMORN 4 DIJON 15-19 Octobre 1984
et fluc-
- D I S C U S S I O N -
ALBRECHT
BERNARD
1 -
Did you observe any correlation between the size of measured baffle gaps and the response observed by neutron detectors ?
2 -
Have you considered the possibility that the stimulors for baffle jetting may have a peak at around 22 Hz instead of attributing the entire resonance to fuel assembly response ?
I -
We think that baffle gaps measured in cold off pressure conditions do not represent the actual value in at power reactor.
272
P. BERNARDet al.
2 -
We observed, in case baffle jetting excitation, peaks at 22-23 Hz. In the corresponding monitored reactors, the nearest shell mode of the core barrel is at 19-20 Hz. So we think that may be exist a hight level of pressure excitation in the 22-23 Hz region, due to something like baffle jet modulation by C B shell mode, but the peak at 22-23 Hz correspond to fuel assembly eigen vibration.
MAYO
I have performed finite-element calculations of fuel assembly model response to core support Grid motion and 1 agree with your results. I have also considered the effect of fuel assembly mode shape on the neutron noise scale factor calculated for excore neutron detector response to gross lateral core/support structure motion. It appears that the phase change in fuel assembly motion at the top of the core can substantially affect the scale factor as calculated by neutronic codes that assume rigid body notion. Have you considered this effect ?
BERNARD
The results of our simple simulation show that, out of the peaks of fuel assemblies around 3 Hz (mode I) and 6 Hz (mode 2), the lower half part of the assembly follows, like a quasi rigid body, the displacements imposed by the lower core plate. If we consider that, in large cores, the effect of fuel vibration on excore neutron detectors is mainly due to charge of distance between peripheral fuel and excore detectors {low "reactivity" effects) it must be possible to have a correct monitoring of core barrel bearm motion, from fluctuations of excore neutron detectors located in the lower part of the core, and using classical static scale factors. It is necessary for that, that the frequency of core barrel pendular motion be different from fuel assemblies eigen frequency.
1~079-6530/85 $0.00 + .50
JET D E CLOISONNEMENT: PHENOMENES VIBRATOIRES POSSIBLES ET EFFETS N E U T R O N I Q U E S SUR LES D E T E C T E U R S EN C O E U R P.
BERNARD,* C.
CH.
MESSAINGUIRAL-BRuYNOOGHE,*
PUYAL,**
C.
V I N C E N T * * AND R .
J.
CLOUI~,*
BAEYENS***
*CEA/Cadarache, DRE/SEN/LPA, B.P. No 1, 13115 Saint-Paul-Lez-Duranee, France **EDF, E & R, 6 Quai Watier, 78400 Chatou, France ***Laborelec, B 1640, Rhode Saint Genese, Belgique
ABSTRACT
Le Jet de baffle est un ph~nom~ne qui peut conduire ~ une d~gradatlon Impportante d'assemblage et qul affecte, ou est susceptible de le faire, les R.E.P.I circulation descendante. II reste important de d~tecter en cours d'exploltation les assemblages soumls au Jet afin de pr6volr une s~quence d'examen pr~cls de ces assemblages en fin de campagne. Le bruit neutronique en coeur intervlent I~ eomme moyen pratique de surveillance mals trouve une llmlte intrlns~que dans la r~partltion spatiale des d~tecteurs. Nous passons an revue, un ensemble d'hypothlses m~canlques plausibles, des processus de t r a n s m i s s i o n e n v £ s a g e a b l e s , e u f i n , en u t i l i s a n t l e s r ~ s u l t a t s de / 1 8 / nous examinons parmi l e s h y p o t h e s e s , c e l l e s q u i d o n n e r a l e n t un s i g n a l v i s i b l e s u r un d ~ t e c t e u r i n - c o r e p l u s p r o c h e v o i s i n . Nous t i r o n s l e s c o n c l u s i o n s pour l ' a m ~ l i o r a t i o n de l a s u r v e i l l a n c e du probl~me J e t de b a f f l e p a r b r u i t n e u t r o n i q u e en c o e u r .
INTRODUCTION
Ltanalyse des fluctuations des slgnaux des d~tecteurs neutronlques en coeur des r~acteurs ~ eau pressurls~e peut apporter des Informatlons Importantes pour la surveillance des composants du coeur. Les prlnclpauK ph~uom~nes que 1'on peut observer sont : les vibrations (normales ou auormales) des assemblages combustlbles et l'ebullltlon en coeur, De nombreuses publications out ~t8 f a i t e s s u r c e s s u J e t s e t nous ne c i t o n s i c i qua q u e l q u e s r ~ f ~ r e n c e s / 0 / ~ / 4 / . Nous p r ~ s e n t o n s i c i l e s r ~ s u l t a t s de l a p o u r s u i t e de nos t r a v a u x / 5 / ~ / 8 / s u r l a s u r v e i l l a n c e " du c o m b u s t i b l e p a r a n a l y s e des f l u c t u a t i o n s n e u t r o n t q u e ~ des d ~ t a c t e u r s m o b i l e s en c o e u r des R . E . P . 900 MWe F r a n ~ a i s , e t p l u s s p ~ c t f i q u e m e n t s u r 1 ' o b s e r v a t i o n des m a n i f e s t a t i o n s de s ph~nom~nes d i t de " J e t de b a f f l e " . Ces travaux s'effectuent dans l e c a d r e de c o l l a b o r a t i o n e n t r e o r g a n i s m e s de r e c h e r c h e (CEA, LASORELEC) e t e x p l o t t a n t s (EDF, SEMO). Nous a l l o n s , dans une p r e m i e r e p a r t t e , a n a l y s e r l e s s o u r c e s de f l u c t u a t i o n s assocl~es aux vibrations normales des assemblages combustibles. La deuxi~me partle pr~sentera l e s m a n i f e s t a t i o n s du J e t de b a f f l e e t nous nous e f f o r c e r o n s de p r o p o s e r des t n t e r p r ~ t a t i o n s p o s s i b l e s et de d~gager la possibillt~ d'appllcatlon pour la surveillance en fonctionnement.
?L;ICTIIATIONS COMBUSTIBLES
NEUTRONIQUES
EN
COEUR
ASSOCIEES
AUX
VIBRATIONS
NORHAL£S
DES
ASSEMBLAGES
La f i g u r e 1 /7~ s c h 6 m a t t s e l a c o n c e p t i o n a c t u e l l e que nous a vons des s o u r c e s d ' e x c i t a t i o n des v i b r a t i o n s m~caniques p r o v o q u a n t l e s f l u c t u a t i o n s n e u t r o n t q u e s des d ~ t e c t e u r s h o r s c o e u r e t en c o e u r . Les sources primaires d'excitation Si s o n t s y m b o l i s ~ e s p a r de s f l ~ c h e s o n d u l ~ e s , e t l e s d ~ p l a c e m e n t s c o r r e s p o n d a n t s AXJ p a r des d o u b l e s f l ~ c h e s d r o i t e s . S1 r e p r ~ s e n t e l e s f l u c t u a t i o n s de p r e s s i o n dans l ' ~ c o u l e m e n t de l ' e a u e n t r e c u r e e t e n v e l o p p e de c o e u r , p r o v o q u a n t l e s v i b r a t i o n s m~caniques b i e n c a r a c t ~ r i s ~ e s de l ' & c r a n t h e r m i q u e (AXTS) (pour l e o r ~ a c t e u r s c o m p o r t a n t un ~ c r a n t h e r m i q u e c i r c u l a i r e ) e t de l t e n v e l o p p e de c o e u r . Ces v i b r a t i o n s p r o voquent essentiellement des f l u c t u a t i o n s s u r l e s d ~ t e c t e u r s h o r s c o e u r , s u r l e s q u e l l e s nous ne r e v i e n d r o n s pas i c i / 7 / ~ / 1 0 / .
261
262
P. BERNARDet al.
Les vibrations, dans le plan horlzontal, de la plaque inf~rleure du coeur , AXLCP, indultes par SI, provoquent elles-m~me un d~placement Impos~ du pled des assemblages AXFA. Ce processus est sch~matls~ sur la figure 2. La valeur de la fr~quence ~ 7.2 Hz, visible sur DSP AXLCP(f) correspond au mouvement de balancement principal de l'enveloppe de coeur . Les fr~quences ~ 3.2 Hz et 6.4 Hz sont les deux premieres fr~quences propres des assemblages.
~~
ANNEADL U CALAGE
~~,
PLAQUE SUPERE IURE DECOEUR
4
CUVEDEREACTEDR
PANIER DE COEUR
/
G
ECRA~ T I HERM(IUE
Ax~B
.->
~(l'p
'--- S]
FG I UREN*I
<-.-i
CRAYON .¢.COMBUSTB ILE
FA
\
z~XL,,
/
/
7'
ASSEMBLAGEC SOMBUSTB ILES
PLAQUE N I FERE I URE DEC0EUR
._,
~
f
f
OE L ' ~
f.
f
FIGURE N'2
-?
NAPSD
3.2x10
I _~" | 3 ~"/~
| \}=J | ~
/@i 3.2 xlO "=
(Hz ''1)
G7%nd 8th grid
~.
i=¢i.
5 6~ndTU'grid
\
4 3=°.d 6*%~id
6 ~l,
,
5 5tbgrld
~ll~"
* ,",r,d
'
FREQUEHCY (Hz') 10
FIGURE 3
20
-t
-
,
,
,
, °
A
Jet de cloisonnement
0.~ e (z,f)
(z,f)
0,5 1 H (z,f)
f = 3,2 H7.
f : 6,4 HZ
.
f=IHZ
263
5
HODUI.ES(--) DE LA FONCTION DE TRANSFERT DE LA REPONSE HF_.CAHIQUE D'UN ASSEHBLAGE CONSIDERE COHHE UNE POUTRE,A UNE EXCITATION iHPOSEE A SON P I E D (S~4ULATION)
~GURE N°k
BAS t OE LASSEPEL.a~E HILIEU
----
.......... HAUT
% 10-10
..m,,~J~: : s
,.
1042
\
/
•.. ..%***...,..****
1043
•
f 1
2
I 3
I 4
I S
FIGURE N° 6
I 6
i T
I I
HZ
EXEHPLE DE SIHULATION DE 4 POUTRESLIEES PAR DES POINTS OE CONTACT
264
P. BERNARD et al.
La DSP de S I pr~sente l'allure chutante typlque des fluctuations de presslon. La figure 3 pr~sente l e s DSP des f l u c t u a t i o n s des s i g n a u x d ' u n d ~ t e c t e u r n e u t r o n i q u e en coeur plac~ dans un assemblage a plusleurs c~tes axiales, alnsi que la phase de la denslt~ spectrale d'Interactlon (DSPI) entre le signal de ce d~tecteur et celul d'un d~tecteur hors coeur en vue de la deml partle Inf~rleure du combustible. Nous avons effectu~ une mod~lisation tr~s simple (et ~ one seule dimension, alors que les mouvements horlzontaux de la plaque inf&rieure de coeur et des assemblages sont ~ deux dimensions) de la r~ponse m~canlque de Itassemblage consld~r~ comme une poutre, a une excitation correspondant ~ un d~placement impos~ du pied de l'assemblage. Cette ~tude eat pr~sent~e en annexe. Le module permet de calculer H (z,f). La figure 4 pr~sente les modules e t phases de H ( z , f ) pour q u e l q u e s f r ~ q u e n c e s t y p e s : 0.I Hz (r~ponse en quasi corps rlglde) 3.2 Hz ( p r e m i e r e fr~quence p r o p r e ) 6.4 Hz ( s e c o n d s fr~quence p r o p r e ) Les caract~rlstlques m~caniques de is poutre (p,E,l,S) correspondent aux donn~es m~canlques. Le terms de dissipation "a" a ~t~ a ~ u s t ~ dans un premier temps, pour obtenlr un amortlssement de l'ordre de 20 ~, comme on peut l'observer sur les spectree de bruit neutronlque sur r~aeteur. $elon l'hypoth~se que nous retenons actuellement, les mouvements de l'assemblage n'entralnent pas le d~tecteur mobile en coeur (Jeux tube guide - dolgt de gent et dolgt de gant - chambre, grand devant les amplitudes vlbratoires). On peut donc consld~rer qu'un d~placement en flexion de l'assemblage provoque une variation de taux de comptage du d@tecteur en coeur par effet de d~placement de la chambre dans un gradient de flux
/~/, /~6/. Darts un d~placement en corps rlglde d~un assemblage p~rlph~r£que vers l'ext~rieur, le signal du d~tecteur neutroulque augments (augmentation de flux) alnsl que celui du d~tecteur huts coeur (r~ductlon de lame d'eau). Les r~sultats de la figure 4 soot coh~rents avec la courbe de phase pr~sent~e sur la figure 3. La figure 5 presents les r~sultats de notre mod~lisatlon appliqu~e ~ la simulation du processus sch~matis~ sur is figure 2. On a port~ sur la figure 5 la valeur de :
IH(z,f)12X DSPXLc P ( f ) en fonctlon de f e t pour plusleurs valeurs de la cote z la courbe DSPXLcF(f ) a ~t~ d~dulte des specres de bruits neutronlques hors coeur. On peut observer que : l'amplltude de la r@ponse ~ 3.2 Hz ~volue blen en fonetlon de la cote et correspond bien au type de d~form~e pr~sent~e sur la figure 4. Par ailleurs, nos calculs montrent que vers 7 Hz et en has, l'assemblage r~pond surtout en vibration forc~e par le d~placement qu'impose ~ 7.2 Hz la plaque Inf6rleure de coeur e t que la r~ponse propre ~e l'assemblage ~ 6.4 Hz apparalt de fa~on pr~pond~rante ~ mesore que la cote augmente. Ces r ~ s u l t a t s sont q u a l i t a t i v e m e n t eoh~rents avec les courbea e x p ~ r t m e n t a l e s de la f i g u r e 3. Nous avons remarqu~ que lee spectre8 de bruits neutronlques (Cf. Fig.3) pr~sentent des r~sonances assez larges (amortlssement de l'ordre de 20 %) , alors que les r~sultats des essais vibratolres, sur des assemblages Indlviduele, effectu6s eu laboratolre, montrent que lea amortlssements sont tr~s faibles (de l'ordre de 0,5%) et que lea spectres de r~ponse pr~sentent donc des plcs tr~s ~troits. L'expllcatlon de la largeur de plc sur lea spectres de bruit ueutronlque sur r~acteur dolt ~tre qu'll exlste des contacts permanents entre chaque assemblage et ses volsins (de l'ordre de 4) /II/.
IE -?
mil~
!
o'tm ~
A UNE Ex~ra#mN
) 4mmma~s
7£4'i
m
ImUL~m~
\
1E't I
I'E-'IO" ~ ' .,I 0
1
....
J .... ~
! .... 3
f .... 4,
I .... S
I .... |
I .... 7
I,,,,|r,, 4
g
d
10 id~
Jet de cloisonncmcnt
265
Nous avons &tudi~, avec le mod@le simple d~crlt en annexe, le comportement de 4 assemblages~ exclt~s de la m~me fa~on , par les vibrations de la plaque inf~rieure de coeur , ayant entre eux des points de contact, comme Indlqu~ sur la figure 6. Les c a r a c t ~ r i s t l q u e s de chaque p o u t r e de chaque a s s e m b l a g e (E, I , p, S, a ) s o n t pos ~ e s d i f f ~ r e n t e s , a v e c une d i s p e r s i o n conforme ~ ce q u t p e u t e x i s t e r darts l a r ~ a l i t ~ , l e s f r ~ q u e n c e s p r o p r e s du p r e m i e r mode out l e s v a l e u r s s u i v a n t e s : 3.5 Nz ; 3.65 Rz ; 3.7 Nz ; 3.8 Rz. Le c o e f f i c i e n t de d i s s i p a t i o n "a" c o r r e s p o n d ~ un a m o r t i s s e m e n t de 0 , 5 %. Les r~sultats de cette simulation sont pr~sent~s sur la figure 7, un syst~me de 4 poutres en contact d~crit sur la figure 6. L'effet est clairement visible et ces r~sultats se rapprochent beaucoup ( F i g . 3 ) (~ c e c i p r o s que s u r r ~ a c t e u r , i l e x i s t e ~ l a l i m i t e 157 les autres}.
analogue ~ la figure 5, mais pour d'~larglssement des r~sonnances y de ce qu'on observe sur r~acteur p o u t r e s en c o n t a c t l e s unes a ve c
FLUCTUATIONS NEUTRONIQUES ASSOCIEES AUX VIBRATIONS DES ASSEMBLAGES EN PRESENCE DE JET DE BAFFLE Les autres sources d'excltatlon symbolls~es sur la figure I~ sont : - S2 qul repr~sente les fluctuations de presslon reli~es aux turbulences de l'~coulement ascendant (ph~nom~nes normaux, mals dont la contribution aux vibrations normales des asssemblages dolt ~tre falble devant celles que provoquent les vibrations de la plaque inf~rleure de coeur) ou dues ~ des ~ventuels d~blts transverses entre assemblages ("cross flow") par exemple en cas de dlff~rence de pertes de charges entre grilles d'assemblages voislns. Cette hypoth~se est ~voqu~e dans la r~fErence
/z2/. - S3 q u i r e p r ~ s e n t e l ' e x c i t a t i o n
vibratoire
due au Jet de b a f f l e ,
Rappels technologlques Le probl~me du Jet de baffle est g~n~rlque et li~ A la conception du clolsonnement et ~ celle de l'~coulement du flulde de refroidlssement dans les r~acteurs ~ ~coulement descendant. Dans les r~acteurs de ce type, le refroldlssement des plaques entretolses se falt par un ~coulement descendant entre enveloppe et clolsonnement. D'autre part, le refroldlssement du coeur se falt par un ~coulement ascendant depuls le bus du coeur. Dans ces conditions il exlste une dlff~rence de pression entre les ~coulements sltu~s de part et d'autre du baffle qul se tradult par une force appllqu~e sur les parols de ce dernler. Le baffle est une structure polygonale compos~e de plaques d'acler de 2,86 cm d'~palsseur, r~guli~ rement fix~es aux plaques entretolses, elles-m~mes reliSes ~ l'enveloppe du coeur. De plus, les pla ques du c l o i s o n n e m e n t s o n t a s s e m b l i e s ~ 90 ° l ' u n e de l ' a u t r e p a r de s v i s qut a x i a l e m e n t s o n t s i t u ~ e s au n i v e a u d es p l a q u e s e n t r e t o i s e . Dans l a p a t t i e s u p ~ r i e u r e du c o e u r o5 l e (AP e a t p l u s i m p o r t a n t ) c e s v i s s o n t beaucoup p l u s r a p p r o c h ~ e s . L o t s de l a raise en p l a c e du c l o i s o n n e m e n t l ' e s p a c e e n t r e 2 plaques volsines ne dolt pas exceder : 0,04 ~m .
Cependan t , au t o u r s des c y c l e s de f o n c t i o n n e m e n t e t , s e l o n r o u t e v r a i s e m b l a n c e p a r s u i t e de s d i l a t a t i o n s , d es c y c l a g e s t h e r m i q u e s e t des f l u c t u a t i o n s du AP s a n s c e s s e a p p l i q u & s u r l e c l o i a o n n e m e n t , les crlt~res d'espacement entre plaques peuvent ne plus ~tre respect~s et on a pu mesurer dans cer talns caa des jeux sup~rieurs ~ 0,13 mm. Par cet espace p~n~tre un Jet d'eau froide qul est suscep tlble de rencontrer avec plus ou moins de violence les crayons les plus proches et de leur occa s i o n n e r des d ~ g a t s p l u s ou moins i m p o r t a n t s . D~s l e d~but de l ' a p p a r i t i o n de ce ph~nom~ne des ~ t u d e s ont ~t~ menses a f i n d ' e n t e r r i e r l e s param~ t r e s l e s p l u s i m p o r t a n t a . Par a i l l e u r s , l e s r ~ s u l t a t s d ' u n e ~ t ude s u r m a q u e t t e e f f e c t u ~ e au J a pon b ~ / ont montr~ q u ' i l e x i s t e une v a l e u r c r i t i q u e de l a q u a n t i t ~ de mouvement du J e t ~ p a r t i r de l a q u e l l e l e s c r a y o n s s o n t b r u s q u e m e n t soumis ~ des v i b r a t i o n s de g r a n d e a m p l i t u d e . C e t t e m a q u e t t e a ~t~ con~ue pour ~ t u d i e r f t n e m e n t l t i n f l u e n c e des d i v e r s p a r a m ~ t r e s h y d r a u l i q u e s du ph~nom~ne. Une a u t r e m s q u e t t e , c i t ~ e en / 1 4 / ~ t a i t p l u s s i m p l e , e l l e s ' i n t ~ r e s s a i t plus directement 1 ' a s p e c t m~canique du probl~me : g l i s s e m e n t de f r ~ q u e n c e s des c r a y o n s e n t r e l ' ~ t a t norma l e t l ' ~ tat excit~ et influence sur l'assemblage entler de l'excltatlon locale, Les r~sultats concernant le comportement vlbratolre des crayons sont slmilalres : - Fr~quence de vibration des crayons avant l'apparition de vibrations Instables : entre 34 et 40 Hz - Fr~quence de vibration des crayons apr~s l'apparltion des vibrations instables : entre 22 et 26Hz
266
P. BERNARD et al.
De plus, la r~f~rence /14 / indlque que la vibration du crayon provoque une vibration de l'assemblage dans son ensemble. Ii faut, cependant remarquer que cet entralnement ne peut exlster que sl le crayon est encore suffisamment solldalre de l'ensemble du fagot. Apr~s un test d'endurance qul a conduit ~ des crayons tr~s d~t~rior~s, les auteurs de la r~f~rence ~13/ ont observ~ un changement complet de la r~ponse vlbratolre des crayons. Ceux-ci pr~sentaient un spectre plat m~me dans les r~glons de leurs fr~quences naturelles.
Observation nlques
des ph~nomenes
apparalssant
sur les spectres
des fluctuations des d~tecteurs neutro-
Des s~ries de campagnes de mesures ont 8t8 effectuSes sur le r~acteur TIHANGE I (SEMO) et sur ceux de BUGEY (EDF) Dans les cas o~ exlstalt le ph~nom~ne de Jet de baffle on pouvait observer une rSsonnace caractSrlstlque vers 22 Hz (Fig. 8, 9, I0)
i~
FIGURE 8
FIGURE 9 ~(.i
!,i.v< !
*~
i
-
i
'
r"~.
10" I
NAl~O
FIGURE i0
V
'
10" le
~
I I b ~ I m I1~ I I H l i lllk i~11 • Fl~lH~,
50
En compllant 1'ensemble des r~sultats observes, nous avons pu ~tablir les remarques sulvantes : - La r~ponse observ~e vers 22 Hz est caract~rlstlque de l'exlstence de l'excltatlon par le Jet de baffle mals pas de l'~tat des gaines. - Lorsque l'on place des plaques ou syst~mes de protection des crayons, ou qu'on proc~de au rempla cement des crayons combustibles par des crayons postlches (inox ou zlrcaloy), la r~sonance ~ 22 Hz est touJours pr~sente de faqon quasi identlque . -Dans certalns cas d'assemblages soumls au Jet de baffle et d~t~rlor~s, la ~ s o n a n c e vers 22 Hz avalt dlsparu.
Jet de cloisonnement
267
Discussion Pour dlseuter des interpr~tatlons possibles de ees manifestations, on peut envisager quelques hypotheses. 1 °) Le Jet de baffle falt vlbrer los crayons p~rlph~rlques vers 22 Hz avee des amplitudes importantes (dane certalns cas excesslves eomme ont p u l e montrer les observations d'assemblages d~grad~s) et c'est l'effet neutronlque , ~ distance, de cos d~placements qul provoquent la r~sonance sur los DSP des slgnaux du d~tecteur neutronlque en eoeur. Cette hypoth~se parait peu plausible pour los deux raisons sulvantes : L'ordre de grandeur des amplitudes de fluctuations neutronlques qui seralent produites seralt tr~s falble, m~me pour des vibrations importantes des crayons p~rlph~riques /16/ . - Lorsque l'on a plae~ sur les crayons p~rlph~riques un dlsposilf annulant quaslment leur vibration, on observe aussl nettement la r~sonanee vers 22 Hz. 2 °) Lee fluctuations de pression dues au Jet de baffle exeltent un mode propre particuller de l'assemblage. Cette excitation ne peut se transmettre que sl le contact grille - crayons p~riph~riques est correct. La DSP des fluctuations de presslon peut ~tre soit d'allure g~n~rale chutante (de faGon slmilalre ~ celle de la figure 2) ou sulvant l'hypoth~se ~voqu~e par le Pr ALBRECHT /15/ , pr~sentant une modulation due ~ la vibration en mode coque de l'enveloppe de coeur (18 ~ 22 Hz) ce qui pourrait expliquer le nlveau d'exeltation sufflsament ~lev~ vers 22 Hz. -
La locallsatlon g6om6trlque du Jet 6tant sltu6e vers le milieu de l'assemblage, nous avons slmul6 par le calcul (volr annexe) la r6ponse de l'assemblage a une force d'excitatlon localls6e en son milieu. Lee r6sultats port,s sur la figure II, montrent qu'on excite effeetlbvement un mode ~ 23 Hz et apportent un soutlen ~ cette derni6re hypoth~se
FIGURE i i
REPONSE D!UN
ASSEMBLAGE CONSIDERE COMME UNE POUIRE A UNE FORCE D'EXCITATION
I00
EXERCEE EN SON MILIEU I0
(SIMULATION)
i
J
12
,
,
,
15
'
2'o
Le falt qu'on observe parfois la r6sonance ~ 22 Hz sur des assemblages voislns dolt ~tre Ii~ aux contacts entre assemblages assurant la transmission des vibrations.
CONCLUSION
Los bases de la surveillance des vibrations des assemblages combustibles par fluctuations neutroniques en coeur, nous paraieeent bien 6tablies. Elle peut apporter une contribution pour le diagnostic et le suivi d'anomalles telles que le ph~nom6ne de Jet de baffle. L'analyse m6eanique doit @tre poursuivie (essais sur maquette). Ii est clair que le fair que les d6tecteurs en coeur ne puissent pas explorer tous los assemblages du coeur pr6sente une certaine limitation pour la surveillance. N6anmolns , eette m6thode de surveillance, recoup~e avec l'analyee de l'actlvlt~ du circuit prlmaire nous semble apporter une aide utile ~ l'expoitant en permettant - De v~rifier qu'un r6acteur n'est pas soumis au ph~nom6ne de jet de baffle ou d'en d6tecter pr6cocement l'apparltion - De v6rlfier d~s le red~marrage l'effloaeit~ d'une solution (ex : martelage des Joints de baffle) - De suivre l'6volutlon des ph~nom~nes pour apporter des informations ~ l'exploitant en ce qui concerne la gestion de son combustible au rechargement.
P. BERNARD et al.
268
ANNEXE
Mod~llsation du eomportement vlbratolre d'un assemblage combustible repr~sent~ par une poutre simple.
L t a s s e m b l a g e e s t r e p r ~ s e n t ~ par une p o u t r e v e r t l c a l e slmple e t homog~ne t r a v a i l l a n t L t ~ q u a t l o n qul r ~ g l t l e s d~placements v l b r a t o l r e s e s t 4~
(z,t)
+
a ~-~z't)st +
o~
x(z,t)
"
fCz.t}El
est le d~placement vlbratolre est la cote vertlcale
z
C "
C - ' ~ - -5~2I x ( z , t )
en f l e x i o n p u r e .
EI ps
E I P S
est le module d'young le moment d'Inertle Is m a s s e l l n ~ l q u e Is section de la poutre le terme de dissipation la force lln~ique appllqu~e
a
f (z,t)
1 °) Comportement dtun assemblage exclt~ par les d~placements, dams le plan horizontals de la plaque inf~rleure de coeur
Les c o n d i t i o n s aux l l m l t e s c o n s l d ~ r ~ e s s o n t : • Rotul~e en h a u t , d~placement nul • Encastrement en bas au niveau de l a plaque i n f ~ r l e u r e de l a forme e ~ j ~ t
l e syt~me ~ r ~ s o u d r e s ' ~ c r l t
~x
2x
~t
x(L,t)
O
-
~_(~t)
o,t)
x(O,t)
-
=
-0
=
0
o
dem~ d~rlv~e par v a l e u ~ s u p ~ r l e u r e S
e 2Hilt
dem~ d e r l v ~ e par v a l e u r s i n f ~ r l e u r e s
(d~placement d ' a m p l l t u d e u n l t ~ )
l e syst~me ~ t a n t l l n ~ a i r e ,
l a s o l u t i o n e s t de l a forme :
de coeur e t d~placement Impos~
Jet de cloisonncment
269
x(z,t) ffiX (z,f) e 2Hilt nous noterons ~)2~ + 5z 4
l~(o,f)
21]Jft
a
bl (L, f)
X (z,f)
=
qui e s t s o l u t i o n de
H (z,f)
4 ~ H2 4 2H H
- ~
- 0
= 0
-
(4
l
Apr~s d i s c r ~ t t s a t t o n en z, l e s d ~ r i v ~ e s ~ t a n t d i v i s ~ e s , le s y s t e m s (2) e s t r ~ s o l u pour un
e s t i m ~ e s p a r l e s f o r m u l e s u s u e l l e s des d i f f e r e n c e s Jeu de ( p , a, E, I , S) e t pour cheque fr~quence
chotsie.
Les r ~ s u l t a t s ,
pour l e s d i f f ~ r e n t s
cas c o n s i d 6 r ~ s , s o n t p r ~ s e n t ~ s dens l e t e x t s du p a p i s t .
2 ° ) Comportement de lWassemblaRe e x c i t ~ par une f o r c e f l u c t u a n t e de l a forms g ~ 0 , t ) - 6 ( z , z 0 ) e 2 ~ j ~t ( f o r c e d ' a m p l i t u d e u n i t ~ ) l a s o l u t i o n e s t de l a forme
+ a 2~JfK ~(L, f)
-
ffi 0
4112f2 K
.
: x(z,t)
= K (z,z0,f)
localis~e et appliques ~ la cotez 0
e 2 W ~ t qui e s t s o l u t i o n de
6 (z-z 0)
(3)
(L,f)
~
+
K(o,f)
(o,f)
-
o
- 0
Le syet~me (3) e s t r ~ s o l u s u i v a n t le m~me p r t n c i p e que le syst~me 2 3** Comportement d ' u n ensemble d t a s s e m b l a g e s en c o n t a c t , e x c i t e s i n f ~ r i e u r e de coeur
par l e s d~placements de l a p l a q u e
L ' a s s e m b l a g e i a l e s p o i n t s de c o n t a c t aux c o t e s Zct t avec l t a s s e m b l a g e J. Pour calculer la r~ponse ~ (z,f) de l'assemblage I,on exprlme qu'il
270
P. BERNARD et al.
s'excerce aux points zc&j une force Ft~ telle que
%
F~ + F~g,f) ffi0 ~. (zc&~'f) ~£(z~
ffi
__j
_I (&) d~placement ~gaux aux points de contact
~l(z,f)
est donn~ par l'expresslon
~tCz,f)
ffi Hi (z,f) + Z K . C',*.,~, 0 F¢3(F) ,) J
(S)
4) comportement d'un ensemble d'assemblages en contact, dont l'un d'entre eux (N°I) est exclt~ par une force F4.~ en z¢ de la forme ~'4,o(a,t) ~ ( z - 7 - . , o ) e 2rt~t
De m~me q u ' e n 3 l ' a s s e m b l a g e t a l e s p o i n t s de c o n t a c t c o n s t a n t s aux c o t e s z ~ t ~ ( z ~ avec l ' a s s e m b l a g e J. La r ~ p o n s e ~ ( z , f ) de l ' a s e m b l a g e t , a pour e x p r e s s i o n
oh ~L,g est le symbole de kronecker ( 64,~
ffi I, 6g,l ffi 0 sl i # i)
o~n les F&j (f) se calculent en r~solvant le syst~me (6)
[
= z¢~£)
Jet de cloisonnement
271
REFERENCES /0/ G. KOSALY, LJ. KOSTIC, L. MITEFF, G. VARADI, and K. BEHRINGER "'Investigation of the local component of the neutron noise in a BWR and its application to the study of two-phase flow" SMORN 2 Septembre 1977 /i/
P. LIEWERS "Noise investigations PRAGUE 21-25 Juin 1982
wlth an experimental
fuel assembly
in a PWR specialist meeting
A.I.E.A.
/2/ L.MITEFF, K. BEHRINGER "Investigation of the relation between the RMS neutron noise and local void fraction in the bubbly flow region of a BWR" SMORN 3 - TOKYO 26-30 Octobre 1981 /3/
T. KATONA, L. MESKO "Diagnostics
lysis"
/4/
A.I.E.A.
anomalies
in PWRs using neutron noise ana-
D. WACH,
analysis /5/ 1981
of thermohydraulic PRAGUE 21-25 Juin 1982
R. SUNDER "Improved PWR neutron noise interpretation SMORN 2 " Gatllnburg Tenessee 19-23 Septembre 1977
P. BERNARD et all
"PWR core monitoring
based
by incore noise analysis"
on detailled
SMORN 3
/6/ P. BERNARD, J. CLOUE, Ch. MESSAINGUIRAL "Detection and monitoring neutron noise analysis" SMORN 3 TOKYO 26-30 Octore 1981
vibration
TOKYO 26-30 Octobre
of boiling in PWRs by incore
/7/ P. BERNARD et all "Experience with utilisation of neutron noise in PWRs for monitoring and internal structures" Specialist meeting A.I.E.A. PRAGUE 21-25 Juln 1982 /8/ P. BERNARD, JC. structures vibrations Octobre 1981
/9/ These
the fuel
CARRE et all "Quantitative monitoring and diagnosis of French PWRs Internal by excore neutron noise and accelerometers analysis" SMORN 3 TOKYO 26-30
P.
BERNARD "Fluctuations ORSAY 1978
neutroniques
dans
les
r~acteurs
de puissance
~ eau
sous
pression"
/i0/ R. ASSEDO, P. BERNARD, JC. CARRE, J. CLOUE, A. EPSTEIN "PWR neutron noise surveillance sources and their effects" A.I.E.A. NPPCI Specialist meeting Munich 1979 /ii/
LECLERC
Communication
personnelle
(FRAGEMA)
/12/ C. PUYAL, R. BAEYENS et all "Analyse des anomalies de bruit neutronique combustibles dlff~rents" SMORN 4 DIJON 15-19 Octobre 1984 /13/ K. FUJITA SMIRT 6 1981
et all "Flow-induced
/14/
Y. FUJITA
M.A.P.I.
/15/
Pr R. ALBRECHT
vibration of PWR fuel assembly
Communication
Universit~
: noise
li~es ~ la presence de
by baffle
leakage
cross-flows"
personnelle
de Washington
Communication
personnelle
/16/ P. BERNARD, C. MESSAINGUIRAL, J. CLOUE "Liaison entre vibrations d'origlne m~caniques tuations du flux neutronlque dans les R.E.P." SMORN 4 DIJON 15-19 Octobre 1984
et fluc-
- D I S C U S S I O N -
ALBRECHT
BERNARD
1 -
Did you observe any correlation between the size of measured baffle gaps and the response observed by neutron detectors ?
2 -
Have you considered the possibility that the stimulors for baffle jetting may have a peak at around 22 Hz instead of attributing the entire resonance to fuel assembly response ?
I -
We think that baffle gaps measured in cold off pressure conditions do not represent the actual value in at power reactor.
272
P. BERNARDet al.
2 -
We observed, in case baffle jetting excitation, peaks at 22-23 Hz. In the corresponding monitored reactors, the nearest shell mode of the core barrel is at 19-20 Hz. So we think that may be exist a hight level of pressure excitation in the 22-23 Hz region, due to something like baffle jet modulation by C B shell mode, but the peak at 22-23 Hz correspond to fuel assembly eigen vibration.
MAYO
I have performed finite-element calculations of fuel assembly model response to core support Grid motion and 1 agree with your results. I have also considered the effect of fuel assembly mode shape on the neutron noise scale factor calculated for excore neutron detector response to gross lateral core/support structure motion. It appears that the phase change in fuel assembly motion at the top of the core can substantially affect the scale factor as calculated by neutronic codes that assume rigid body notion. Have you considered this effect ?
BERNARD
The results of our simple simulation show that, out of the peaks of fuel assemblies around 3 Hz (mode I) and 6 Hz (mode 2), the lower half part of the assembly follows, like a quasi rigid body, the displacements imposed by the lower core plate. If we consider that, in large cores, the effect of fuel vibration on excore neutron detectors is mainly due to charge of distance between peripheral fuel and excore detectors {low "reactivity" effects) it must be possible to have a correct monitoring of core barrel bearm motion, from fluctuations of excore neutron detectors located in the lower part of the core, and using classical static scale factors. It is necessary for that, that the frequency of core barrel pendular motion be different from fuel assemblies eigen frequency.