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Procédé et appareil de mesure de débit
La présente inventioa se rapporte à un procédé et un appareil de mesure de débit pouvant fonctionner dans les réacteurs nucléaires et plus particulièrement dans les réacteurs nucléaires à neutrons rapides refroidis au sodium.
Les méthodes de mesure de débit connues de type magnétique, électromagnétique, à diaphragme, à turbine, à ultra-sons ou à courant
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de Foucault ne sont pas sans inconvénients, si celles-ci doivent être utilisées dans les réacteurs nucléaires. En effet, la précision ou la reproductibilité dans le temps de ces méthodes ne sont pas très satisfaisantes, et de plus, elles ne sont pas toujours technologiquement applicables actuellement.
Ces inconvénients sont soit l'influence importante de la température absolue (connue à quelques degrés près seulement), soit la présence de pièces mobiles pouvant provoquer un bouchage, soit encore l'emploi de bobinage électrique fragile ou demandant une dissi- pation de puissance non négligeable, soit enfin une variation ou une dégradation des caractéristiques en fonction du temps d'exposition au flux neutronique ou du nombre de cycles de variation de la température.
De telles méthodes sont donc peu adéquates à l'emploi dans un réacteur nucléaire et plus particulièrement dans un réacteur à neutrons rapides.
L'invention a pour objet un procédé et un appareil permettant d'effectuer une mesure du débit de fluide indépendante de la température de celui-ci à l'aide d'un capteur suffisamment rcbuste ne demandant pas de maintenance et non influencé par le vieillissement.
La présente invention consiste en un procédé de mesure de débit d'un fluide caractérisé en ce qu'on porte le contenu d'une chambre introduite dans ce fluide à une température différente de celle du fluide et en ce qu'on mesure ensuite la variation de la température à l'intérieur de cette chambre.
De préférence, la chambre est chauffée et la mesure se fait ensuite par le temps de décroissance de la température de celle-ci.
L'invention consiste également en un débitmètre permettant la mise en oeuvre de ce procédé, caractérisé en ce qu'il comporte une chambre et deux circuits de mesure de la température placés en opposition
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et dont un circuit mesure la température dans ladite chambre et l'autre celle du fluide dont le débit doit être mesura.
L'allure de la variation de la température dans la chambre est fonction du coefficient d'échange entre les parois de la chambre et le fluide dont le débit doit être mesuré ; et ce coefficient d'échange est à son tour fonction de la vitesse et donc du débit du fluide.
La mesure peut être rendue indépendante des variations de la température du fluide par un dispositif de compensation de la température du fluide faisant corps avec le capteur.
Ce dispositif de compensation est constitué par deux circuits de mesure de la température, lesquels circuits sont placés en opposition et situés dans deux chambres séparées, la première chambre, dite chambre de mesure, comporte l'élément chauffant en plus du système de mesure, et la seconde chambre ne contient qu'un circuit de mesure de la température du fluide.
Par ailleurs, dans l'application de l'appareil dans un réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi au sodium, il est avantageux de remplir les deux chambres de sodium, ceci afin de faciliter les échanges thermiques ; les chambres peuvent en outre être mises en commuioication avec le fluide réfrigérant de façon à réduire les contraintes dues à la dilatation et à faciliter le remplissage initial.
Le débitmètre selon l'invention permet en plus de n'introduire dans le réacteur que des matériaux constituant déjà la structure de celui-ci et d'éviter au maximum les contraintes mécaniques et thermiques du capteur. Les pièces constituant le capteur seront de préférence réalisées en acier inoxydable et ne se différencieront donc pas des matériaux de structure du réacteur.
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La méthode selon l'invention convient particulièrement bien pair mesurer le débit du fluide réfrigérant passant au travers d'un assemblage combustible. Le capteur placé au sommet de l'assemblage doit permettre d'effectuer la mesure du débit dans une large gamme de température et de débit tout en tenant compte des impératifs techniques suivants : - réduction au minimum des dimensions afin de réduire l'encombrement du volume supérieur du coeur du réacteur ; - réalisation d'un capteur ne comportant aucune partie mobile, ni d'éléments soumis à des contraintes mécaniques pouvant provoquer une détérioration à long terme ; - réalisation du capteur de mesure de façon à ne pas introduire dans le réacteur de matériaux nouveaux ;
- réalisation d'un capteur de mesure dont le fonctionnement n'est que peu perturbé par le temps d'exposition au flux élevé du réacteur ; - réduction et simplification des raccordements entre capteur et électronique de mesure.
L'invention sera décrite ci-après plus en détail 3 l'aide d'un exemple nullement limitatif en se référant 1 la figure jointe, laquelle représente schématiquement une forme d'exécution d'uu capteur de mesure selon l'invention et utilisé pour mesurer le débit du fluide réfrigérant circulant à l'intérieur d'un assemblage combustible d'un réacteur rapide refroidi au sodium.
En se référant à la figure, celle-ci montre le capteur constitué d'un corps métallique 1 en acier inoxydable. La partie infé- rieure 2 du corps 1 constitue une ogive hydrodynamique. Une chambre de compensation 3, placée au-dessus de l'ogive 2, contient du sodium mis en commnication avec le réfrigérant extérieur à l'aide des ouvertures 4.
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Ltensemble de la chambre de compensation 3 et du sodium y contenu se trouve donc à la température du réfrigérant extérieur.
Une chambre de mesure 5, géométriquement identique à la chambre de compensation 3 contient également du sodium et est mise en communi- cation avec le réfrigérant extérieur par les ouvertures 6.
L'espace 7 placé entre les chambres 3 et 5 sert au raccordement 14 des thermocouples de mesure 8 et de compensation 9. Ce raccordement 14 réalise directement la mise en opposition des thermocouples 8 et 9.
La sortie du câble de mesure 10 se fait par l'axe du capteur.
La chambre de mesure 5 contient également un élément chauffant 11 utilisé pour le chauffage discontinu de cette chambre ; laposition de cet élément est telle que la température du sodium contenu dans la chambre de mesure est pratiquement uniforme.
Les câbles de mesure et de chauffe sortent du capteur par sa partie supérieure 12. Cette partie 12 ainsi que l'espace 7 sont mis sous vide.
L'embout fileté 13 de la partie supérieure 12 du corps du capteur sert à la fixation de celui-ci à la structure du réacteur.
Considérons maintenant le fonctionnemtn du capteur basé sur la mesure du temps de décroissance de la température de la chambre de mesure 5 après chauffage préalable de celle-ci.
En position de repos, la température du capteur To étant égale à celle du fluide de refroidissement, l'écart de la température entre les deux chambres 3 et 5, mesuré par les thermocouples 8 et 9 est mul.
Lorsqu'on désire mesurer le débit du fluide, l'élément chauffant Il est enclenché jusqu'à ce qu'une température T1 soit atteinte dans la chambre 5. Dès l'arrêt du chauffage, la température de la chambre de mesure 5 va décroître sous l'action du fluide réfrigérant. Cette
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décroissance de la température pourra être suivie à l'aide des thermo- couples 8 et 9. La vitesse de décroissance de la température de la chambre 5 est mesurée et fournit une indication de la valeur de la vitesse moyenne du fluide.
Lorsque la température Iest à nouveau atteinte dans la chambre de mesure, l'élément chauffant est réenclenché et le cycle peut être recommencé.
L'exemple ci-dessus montre clairement que la mesure peut se faire indépendamment de la variation de la température extérieure. En effet, la différence de la température dans la chambre de mesure et celle du fluide de refroidissement est continuellement mesurée grâce à la chambre de compensation 3 et le thermocouple 9.
Parmi les principaux avantages du capteur de débit et de la méthode faisant l'objet de l'invention, il convient de citer que : - la mesure ntest pas influencée par les variations de température du fluide : - le capteur ne contient aucune partie mobile et n'est soumis à aucune contrainte mécanique particulière ; - la méthode ne demande que peu de précision en ce qui concerne le temps et la puissance de chauffe ; - la mesure peut être effectuée dans une large gamme de température et lorsque les autres principes de mesure ne sont plus applicables.
Il est évident que la forme de mise en application de la présente invention telle que décrite ci-dessus à titre d'exemple n'est nullement limitative et que diverses modifications peuvent y être apportées. Ainsi, par exemple, on peut remplacer lesthermocouples 8 et 9 par d'autres sondes de température : on peut également envisager de modifier la forme du capteur de façon à réduire la perturbation de l'écoulement du fluide.
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La mesure du débit peut aussi se faire par mesuze des varistions de la phase entre le circuit de chauffage et le circuit de mesure.
Par ailleurs, il est clair que l'application de la méthode et de l'appareil n'est pas limitée à la mesure du débit dans un assemblage combustible d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides, et que cette méthode peut tre appliquée avec succès pour mesurer le débit du réfri- gérant ou d'un autre fluide à tout endroit dans un réacteur nucléaire de n'importe quel type et plus généralement pour la mesure de tout débit de fluide. Il suffit d'adapter le contenu des chambres de mesure et de compensation à l'application désirée. Ainsi, par exemple, la mesure du débit d'eau peut être effectuée avec le même type de capteur, qui peut être constitué alors par un autre matériau que l'acier inoxydable, l'argent pouvant alors se substituer au sodium dans les chambres de mesure et de compensation.
D'autre part, le capteur peut également être utilisé pour mesurer le débit d'un fluide dont la température est invariable : il est clair qu'à ce moment, la chambre de compensation est inutile et que le circuit de mesure de la température de cette chambre peut se faire n'importe où dans le fluide.
Plus généralement encore, la méthode reposant sur la mesure des variations du coefficient d'échange entre les parois du capteur et le fluide en fonction du débit, il est clair que cette méthode peut être utilisée également pour mesurer ce coefficient d'échange, le débit devant alors rester constant.
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Flow measurement method and apparatus
The present inventioa relates to a process and a flow measurement apparatus which can operate in nuclear reactors and more particularly in sodium-cooled fast neutron nuclear reactors.
The known magnetic, electromagnetic, diaphragm, turbine, ultrasonic or current flow measurement methods
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de Foucault are not without drawbacks, if they are to be used in nuclear reactors. Indeed, the precision or reproducibility over time of these methods are not very satisfactory, and moreover, they are not always technologically applicable at present.
These drawbacks are either the significant influence of the absolute temperature (known to within a few degrees only), or the presence of moving parts that can cause clogging, or even the use of fragile electrical winding or requiring a dissipation of power not. negligible, or finally a variation or degradation of the characteristics as a function of the exposure time to the neutron flux or the number of cycles of temperature variation.
Such methods are therefore unsuitable for use in a nuclear reactor and more particularly in a fast neutron reactor.
The object of the invention is a method and an apparatus making it possible to carry out a measurement of the fluid flow rate independent of the temperature thereof using a sufficiently robust sensor that does not require maintenance and is not influenced by aging. .
The present invention consists of a method for measuring the flow rate of a fluid, characterized in that the content of a chamber introduced into this fluid is brought to a temperature different from that of the fluid and in that the variation is then measured. of the temperature inside this chamber.
Preferably, the chamber is heated and the measurement is then made by the time of decrease of the temperature thereof.
The invention also consists of a flowmeter allowing the implementation of this method, characterized in that it comprises a chamber and two circuits for measuring the temperature placed in opposition.
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and one circuit of which measures the temperature in said chamber and the other that of the fluid whose flow rate is to be measured.
The pace of the temperature variation in the chamber is a function of the exchange coefficient between the walls of the chamber and the fluid whose flow rate is to be measured; and this exchange coefficient is in turn a function of the speed and therefore of the flow rate of the fluid.
The measurement can be made independent of variations in the temperature of the fluid by a device for compensating the temperature of the fluid forming part of the sensor.
This compensation device is constituted by two temperature measurement circuits, which circuits are placed in opposition and located in two separate chambers, the first chamber, called the measuring chamber, comprises the heating element in addition to the measuring system, and the second chamber only contains a circuit for measuring the temperature of the fluid.
Furthermore, in the application of the apparatus in a sodium-cooled fast neutron nuclear reactor, it is advantageous to fill the two chambers with sodium, in order to facilitate heat exchanges; the chambers can furthermore be put in communication with the refrigerant fluid so as to reduce the stresses due to expansion and to facilitate initial filling.
The flowmeter according to the invention also makes it possible to introduce into the reactor only materials already constituting the structure of the latter and to avoid as much as possible the mechanical and thermal stresses of the sensor. The parts constituting the sensor will preferably be made of stainless steel and will therefore not differ from the structural materials of the reactor.
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The method according to the invention is particularly suitable for measuring the flow rate of the refrigerant fluid passing through a fuel assembly. The sensor placed at the top of the assembly must make it possible to measure the flow in a wide range of temperature and flow while taking into account the following technical requirements: - reduction of the dimensions to a minimum in order to reduce the bulk of the volume upper reactor core; - realization of a sensor having no moving part, nor elements subjected to mechanical stresses which can cause long-term deterioration; - realization of the measurement sensor so as not to introduce new materials into the reactor;
- realization of a measurement sensor whose operation is only slightly disturbed by the exposure time to the high flow of the reactor; - reduction and simplification of connections between sensor and measurement electronics.
The invention will be described in more detail below with the aid of a non-limiting example with reference to the attached figure, which schematically represents an embodiment of a measurement sensor according to the invention and used for measuring the flow rate of the refrigerant circulating inside a fuel assembly of a sodium-cooled fast reactor.
Referring to the figure, this shows the sensor consisting of a metal body 1 made of stainless steel. The lower part 2 of the body 1 constitutes a hydrodynamic ogive. A compensation chamber 3, placed above the ogive 2, contains sodium brought into communication with the external refrigerant through the openings 4.
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The whole of the compensation chamber 3 and the sodium contained therein is therefore at the temperature of the external refrigerant.
A measuring chamber 5, geometrically identical to the compensation chamber 3 also contains sodium and is communicated with the external refrigerant through the openings 6.
The space 7 placed between the chambers 3 and 5 is used for connection 14 of the measurement 8 and compensation thermocouples 9. This connection 14 directly brings the thermocouples 8 and 9 into opposition.
The output of the measuring cable 10 is via the axis of the sensor.
The measuring chamber 5 also contains a heating element 11 used for the discontinuous heating of this chamber; the position of this element is such that the temperature of the sodium contained in the measuring chamber is practically uniform.
The measurement and heating cables leave the sensor through its upper part 12. This part 12 as well as the space 7 are put under vacuum.
The threaded end 13 of the upper part 12 of the body of the sensor serves for fixing the latter to the structure of the reactor.
Let us now consider the operation of the sensor based on the measurement of the time of decrease of the temperature of the measuring chamber 5 after prior heating of the latter.
In the rest position, the temperature of the sensor To being equal to that of the cooling fluid, the difference in temperature between the two chambers 3 and 5, measured by the thermocouples 8 and 9, is mul.
When you want to measure the flow of the fluid, the heating element Il is switched on until a temperature T1 is reached in chamber 5. As soon as the heating is stopped, the temperature of measuring chamber 5 will decrease. under the action of the refrigerant. This
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decrease in temperature can be followed using thermocouples 8 and 9. The rate of decrease in temperature of chamber 5 is measured and provides an indication of the value of the mean velocity of the fluid.
When the temperature I is again reached in the measuring chamber, the heating element is switched on again and the cycle can be started again.
The example above clearly shows that the measurement can be done independently of the variation in the outside temperature. Indeed, the difference in temperature in the measuring chamber and that of the cooling fluid is continuously measured thanks to the compensation chamber 3 and the thermocouple 9.
Among the main advantages of the flow sensor and of the method forming the subject of the invention, it should be mentioned that: - the measurement is not influenced by variations in the temperature of the fluid: - the sensor does not contain any moving part and is not subjected to any particular mechanical stress; - the method requires little precision with regard to the heating time and power; - measurement can be performed over a wide temperature range and when other measurement principles are no longer applicable.
It is obvious that the form of application of the present invention as described above by way of example is in no way limiting and that various modifications can be made thereto. Thus, for example, the thermocouples 8 and 9 can be replaced by other temperature probes: it is also possible to envisage modifying the shape of the sensor so as to reduce the disturbance of the flow of the fluid.
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The flow rate measurement can also be done by measuring the phase varistions between the heating circuit and the measuring circuit.
Moreover, it is clear that the application of the method and of the apparatus is not limited to the measurement of the flow rate in a fuel assembly of a fast neutron nuclear reactor, and that this method can be applied successfully. for measuring the flow of the refrigerant or of another fluid at any location in a nuclear reactor of any type and more generally for measuring any flow of fluid. It suffices to adapt the content of the measuring and compensation chambers to the desired application. Thus, for example, the measurement of the water flow can be carried out with the same type of sensor, which can then be made of a material other than stainless steel, with silver then being able to replace sodium in the chambers of measurement and compensation.
On the other hand, the sensor can also be used to measure the flow rate of a fluid whose temperature is invariable: it is clear that at this moment, the compensation chamber is useless and that the circuit for measuring the temperature of this chamber can be done anywhere in the fluid.
More generally still, the method based on the measurement of the variations of the coefficient of exchange between the walls of the sensor and the fluid according to the flow, it is clear that this method can also be used to measure this coefficient of exchange, the flow must then remain constant.
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