PYROMÉTRIE OPTIQUE POUR LE SUIVI DE TEMPÉRATURE DE … · échantillon puis introduits dans un...
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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
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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)
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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
Source CEA Cadarache
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)
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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
Source CEA Cadarache
Zone d’intérêt
Transitoire APRP
Tem
péra
ture
(°C
)
Temps (s)
Combustible
Gaine
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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
Pyrométrie (expérimental)
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| 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]
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Méthodes pyrométriques (CDC ±10°C)
vers détecteur (méthode pyrométrique)
- Comparaison méthodes - Propagation des incertitudes - Etalonnage
CEA | 13 FEVRIER 2013
" 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
Pyrométrie (expérimental)
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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
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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
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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
QUALIFICATION THERMOCOUPLE (2/3)
Etalonnage du thermocouple soudé / thermocouple certifié de type N
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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)
QUALIFICATION THERMOCOUPLE (3/3)
Palier de consigne (température interne de l’élément chauffant)
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MESURE PYROMÉTRIQUE: ÉCHELON TEMPÉRATURE
ΔTchauffant ΔTthermocouple
G74-119d (pré-oxyde ~15µm)
Consigne 905°C 855°C
Spectromètre NIRquest256 (temps intégration 17ms) Acquisition 1
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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
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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
G74-119d (pré-oxyde ~15µm)
Spectromètre NIRquest256 (temps intégration 17ms) Acquisition 1
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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
G74-119d (pré-oxyde ~15µm)
Concordance des ΔT
Spectromètre NIRquest256 (temps intégration 17ms) Acquisition 1
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MESURE PYROMÉTRIQUE: VALIDATION INVERSE (1/2)
8*/89 ∗9/8*/8: ∗:
Sensibilité du polychromatique (spectre n°0000)
G74-119d (pré-oxyde ~15µm)
- 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
Spectromètre NIRquest256 (temps intégration 17ms) Acquisition 1
| PAGE 23 CEA | 13 FEVRIER 2013
MESURE PYROMÉTRIQUE: VALIDATION INVERSE (2/2)
Résidus du modèle constant (spectre n°0000)
G74-119d (pré-oxyde ~15µm)
Difficulté de valider les rés idus car « b ru i t » échantillon surestimé
Spectromètre NIRquest256 (temps intégration 17ms) Acquisition 1
σLcn dLech/CN
dσech
Indication Planck à 780°C ~ 109 W/m²/sr/m
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MESURE PYROMÉTRIQUE: CONCLUSIONS
G74-119d (pré-oxyde ~15µm)
" 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
Spectromètre NIRquest256 (temps intégration 17ms) Acquisition 1
Résultats expérimentaux – mesure d’émissivité relative (Hypothèse Tbichromatique) Air ambiant
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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
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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
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CEA | 13 FEVRIER 2013
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
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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 −×=
CEA | 13 FEVRIER 2013
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
CEA | 13 FEVRIER 2013
CONTEXTE – OBJECTIF – DÉFIS TECHNIQUES (2/3)
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
| PAGE 31 CEA | 13 FEVRIER 2013
CONTEXTE – OBJECTIF – DÉFIS TECHNIQUES (2/3)
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
CONTEXTE – OBJECTIF – DÉFIS TECHNIQUES (2/3)
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
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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