Benjamin SPEZIALE
RAPPORT DE STAGE DE DEUXIEME ANNEE
10 juin 2014 – 28 novembre 2014
Montage et qualification d’une boucle...
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Remerciements
Avant d’entrer dans la description détaillée du stage que j’ai effectué au CEA, il
convient de remercier t...
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Résumé
Du haut du CEA (Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives),
69 ans nous contemplent. Les dix...
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Abstract
The CEA, French Alternative Energies and Atomic Energy Commission, is a public
body established in 1945. Most o...
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Glossaire
 APRP : Accident de Perte de Réfrigérant Primaire. Très largement étudié, cet accident est
provoqué par une b...
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Table des matières
Introduction............................................................................................
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Introduction
Ce stage de deuxième année prend une place particulière dans mon cursus d’études
supérieures. Il se situe e...
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Ce rapport s’attachera à présenter cette boucle plus en détail et dans son contexte, non
sans avoir au préalable posé un...
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1. Contexte du stage
1.1 Présentation théorique et historique de la fission nucléaire
1.1.1. La découverte des réactions...
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1.1.2. Arrière-plan théorique sur le principe de production d’énergie par
une centrale nucléaire et origine des produit...
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de l’assemblage2
). L’énergie libérée au cours de cette réaction est quant à elle récupérée
sous forme de chaleur par l...
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confinement des produits radioactifs. Les pastilles sont maintenues en place dans
le crayon à l’aide d’un ressort, et l...
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Nous pouvons constater que les noyaux dont le nombre de masse est proche de 95 ou
138 ont la plus grande probabilité d’...
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1.2 Présentation du CEA et de mon laboratoire d’accueil
1.2.1 Le CEA
Le CEA, Commissariat à l’Energie Atomique et aux E...
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Ces sites disposent d’un budget global de 4,3 milliards d’euros, dont 2,6 pour le civil et
1,7 pour la défense. Les dif...
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Le site (hors ITER6
) s’étend sur 1600 hectares dont 900 clôturés et comprend 480
bâtiments dont 20 INB7. Environ 5500 ...
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1.2.4 Le SA3C et le LAMIR
Le SA3C est plus précisément orienté vers l’étude de l’endommagement des éléments
combustible...
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1.3 Présentation de la mission sur le dispositif MERARG 2
1.3.1 Présentation de MERARG 2
Rappelons que l’objectif de ME...
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Dans le four de traitement thermique règne une pression régulée à 1200 mbar. Un
creuset formé de deux chambres y est di...
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mesure et de stockage15
. L’analyse en ligne permet de connaître la cinétique des
relâchements gazeux tandis que l’anal...
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une bonne régulation thermique et à caractériser le comportement de la pastille en termes
de température en fonction de...
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2. Déroulement de la mission
2.1 Montage de la boucle et réglages en vue des essais
2.1.1 Finalisation du montage du di...
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Dans le même temps, j’ai dû identifier le matériel dont nous avions besoin et qui
viendrait à manquer par la suite afin...
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2.1.3 Configuration des instruments de mesure
A ce stade, il m’a fallu réfléchir au moyen de communiquer avec tous les ...
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pieuvre était probablement déficiente). Nous avons finalement pris l’option d’utiliser un
boîtier permettant de communi...
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On aboutit donc à la loi : 𝑃 = 0,1866. 𝐼 − 0,5638
avec P la pression modélisée en bar, I l’intensité mesurée en mA.
Cet...
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Le capteur de courant (bleu) mesurant le courant inducteur à l’entrée de la spire
 La température au cœur de la pastil...
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 Les symboles de la pompe à vide C_VIDEFOUR et de la jauge à vide JV_FOUR. La
valeur mesurée par la jauge à vide n’est...
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2.1.5 Calcul du rendement en puissance de l’installation26
Pour cette partie-là, un ingénieur de la société Athys Consu...
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2.1.5.1 Calcul de la résistance de pertes
La première étape consiste à déterminer la résistance de pertes Rp, qui ne dé...
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2.1.5.3 Calculs de rendement34
Il existe deux méthodes pour réaliser ce calcul.
La première méthode consiste à utiliser...
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2.2 Prise en main et utilisation de la boucle dans son intégralité
2.2.1 Protocole de test d’étanchéité préalable aux t...
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 stabiliser rapidement sans oscillation à la valeur de palier souhaitée.
La correction faite par un PID peut s’écrire ...
34
Plusieurs configurations sont à tester35
. Nous présenterons ici les résultats pour le cas
d’un creuset de petite taill...
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On constate sur ces graphes que la régulation est correcte : les mesures fournissent des
rampes parallèles aux consigne...
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2.2.3 Essais de qualification thermique : pilotage et reproductibilité
Après la précédente étape de réglage PID, cette ...
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calcul de pente sera moyenné sur une période caractéristique. On visualise bien le fait que
la chauffe se fasse de l’ex...
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2.2.4 Perspectives
Le travail que j’ai effectué au cours de ce stage s’inscrit dans un processus global dont
le but est...
39
Conclusion
Les six mois que j’ai passés en tant que stagiaire au CEA se sont révélés être fort
enrichissants et agréabl...
40
Bibliographie
[1] : P. Pradel et al., Les combustibles nucléaires ; Editions du Moniteur (2008)
[2] : Article Recuit de...
41
Annexes
Document Intitulé Page
0 Engagement de non plagiat 43
1 Un historique du CEA 44
2 La DEN en chiffres (2013) 49
...
42
Document 0 : Engagement de non plagiat
43
Document 1 : Un historique du CEA
Cet historique est basé sur les sources [7], [9] et [10] principalement.
1945
 Créat...
44
1954-1961
 Création de 10 centres sur cette période. Ils sont principalement destinés à la
conception d’une arme atomi...
45
que la France puisse disposer d’uranium enrichi car, à l’époque, les Etats-Unis et
l’Union soviétique, seuls producteur...
46
1976
 Le premier scanner français est conçu par le Laboratoire d’Electronique et de
Technologie de l’Informatique (LET...
47
1989
 Le LEP, Large Electron Positron collider, entre en service. Cet accélérateur, le plus
grand du monde à cette épo...
48
 Le CEA met au point une station robotisée d’aide aux personnes tétraplégiques afin
de leur faciliter certaines tâches...
49
Document 2 : La DEN en chiffres (2013)
50
Document 3 : localisation géographique de Saint-Paul-Lez-
Durance (13)
Document 4 : Les différents services et laborato...
51
Document 5 : Principe du chauffage par induction
Le courant inducteur qui parcourt la spire crée un champ magnétique. D...
52
Document 7 : Groupe froid
(a) (b)
(a) spectromètre gamma ; (b) micro-chromatographe en phase gazeuse
Document 9 : Parti...
53
Document 10 : Evaluation des risques professionnels
54
55
Document 11 : Branchement des thermocouples et
instruments analogiques sur les boîtiers FP
Document 12 : Boîtier de com...
56
Document 13 : Valeurs issues de l’étalonnage en usine du
capteur de pression ECME114
Document 14 : Programmation des lo...
57
Le compteur (i) va parcourir tous les instruments de mesure et va nous permettre,
grâce à des variables globales qui no...
58
Document 17 : Principe de l’adaptation d’impédance46
L’inducteur du four et sa charge peuvent être représentés par une ...
59
même puissance s’il débitait sur une résistance pure. On ajoute donc un élément dans le
circuit pour obtenir U et I en ...
60
 Association en parallèle :
Dans ce cas, l’impédance complexe équivalente du circuit a pour module :
|Z| = √
𝑅²+(𝐿𝜔)²
...
61
Document 18 : Calcul de la résistance de perte à vide
Document 19 : Démonstration de la loi Rp(f) à partir de la
notion...
62
Rappelons à ce stade que la résistance correspond à :
 « l’intégration » type association en série de la résistivité s...
63
On comprend désormais pourquoi dans une configuration donnée R ne varie qu’en
fonction de la fréquence, et cette évolut...
64
Document 21 : Essais complémentaires de reproductibilité,
configuration à 2°C/s-800°C
65
Document 22 :Essais de qualification, configuration à 10°C/s-
1200°C
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67
Document 23 : Figures en lien avec un échantillon fracturé
Photographie de l’échantillon fracturé
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  1. 1. Benjamin SPEZIALE RAPPORT DE STAGE DE DEUXIEME ANNEE 10 juin 2014 – 28 novembre 2014 Montage et qualification d’une boucle expérimentale (MERARG 2) hors laboratoire de haute activité Tuteur Entreprise : Sidonie CLEMENT CEA Cadarache, Bâtiments 315/316, DEC/SA3C/LAMIR 13108 ST PAUL LEZ DURANCE, Tél. : 04.42.25.45.72 (secrétariat) Tuteur Ecole : Laurent GALLAIS Ecole Centrale Marseille, 38 rue Frédéric Joliot Curie 13013 MARSEILLE, Tél : 04.91.05.45.45 (accueil) DEN / CEA Cadarache / DEC / SA3C / LAMIR 2A promo entrante 2013 / S8 DMC
  2. 2. 2 Remerciements Avant d’entrer dans la description détaillée du stage que j’ai effectué au CEA, il convient de remercier toutes les personnes qui m’ont permis de bénéficier de cette expérience et qui l’ont rendue enrichissante tout autant que plaisante. Ces personnes sont :  M. Yves PONTILLON, expert senior produits de fission – accidents graves, mon premier contact avec le CEA Cadarache, sans qui je n’aurais pas eu l’opportunité de réaliser ce stage ;  MM. François SUDREAU et Olivier DUGNE, chefs successifs du service SA3C, ainsi que M. Éric HANUS, chef du LAMIR, pour leurs efforts (couronnés de succès) afin d’instaurer un climat de travail agréable et efficace, et parce qu’ils ont su me laisser travailler dans l’autonomie qui me convenait ;  Mme Sidonie CLEMENT, ma tutrice de stage côté CEA, ingénieure responsable de l’équipe MERARG, pour sa gentillesse, sa patience, son écoute et son aide lors des moments où le travail était plus pressant ou stressant ;  Mme Marina PONTILLON et M. Guillaume VOLLE, techniciens équipe traitements thermiques, premiers acteurs de ma formation, pour leur implication dans cette tâche, leur sérieux, leur bonne humeur et leur grande compétence dans leur métier ;  Mmes Corine FARNAUD-PASQUIER et Maria LENTO, secrétaires du SA3C et du LAMIR qui m’ont été d’une aide plus que précieuse dans les démarches que j’ai eu à mener, pour leur disponibilité à toute épreuve ;  M. Laurent GALLAIS, mon tuteur-école, ainsi que M. Pascal DENIS, tous deux membres de mon jury de stage, pour le temps qu’ils accorderont à la lecture de ce rapport et plus généralement l’intérêt qu’ils porteront à mon stage ;  Mme Mirta JUAREZ, responsable des stages de deuxième année à l’Ecole Centrale Marseille, pour son professionnalisme, sa réactivité, sa souplesse et son suivi au cas par cas des stages longs comme le mien ;  Toutes les personnes que j’ai été amené à rencontrer au cours de ce stage, que ce soit aussi bien dans les locaux même du CEA où l’ensemble de l’équipe et des agents d’entretien fut formidable, qu’en dehors, au judo, au tennis et à la résidence du Hameau où j’ai tissé de précieuses amitiés ;  Toutes les personnes que je connaissais déjà et qui ont contribué de près ou de loin à ce stage, notamment par la relecture de ce rapport.
  3. 3. 3 Résumé Du haut du CEA (Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives), 69 ans nous contemplent. Les dix centres du CEA qu’on dénombre désormais en France n’ont certes pas tous cet âge ; il n’en demeure pas moins vrai que le CEA représente des décennies de recherche dans le domaine du nucléaire. Ces recherches ont évolué pendant ce laps de temps : tout d’abord principalement vouées à des mises en pratique militaires, elles ont par la suite commencé à s’orienter vers les sciences du vivant et d’autres domaines où le nucléaire trouve des applications. Afin d’aborder efficacement l’ensemble de ces sujets, le CEA dispose d’une organisation bien établie. Ma contribution fut une parmi celles de 16129 salariés, dont plusieurs d’entre eux, que je remercie, m’ont permis de réinvestir mes connaissances, d’en acquérir de nouvelles, et de me rendre compte de l’organisation du travail en équipe de recherche. Vis-à-vis des 69 ans d’existence du CEA, les 6 mois de mon stage représentent une petite pierre apportée à l’étude des relâchements en gaz produits lors de la réaction nucléaire au sein des combustibles irradiés, un thème dont le fer de lance fut pour moi le dispositif MERARG 2. Cette boucle expérimentale permet l’étude de ces relâchements, avec pour point central la pastille de combustible, disposée dans un creuset autour duquel s’enroule une spire qui permet son chauffage par induction électromagnétique. MERARG 2 souhaitait muer en se dotant d’un nouveau générateur de puissance haute fréquence pour alimenter en courant cette spire. Il a fallu qualifier ce nouvel équipement en environnement non nucléarisé avant son transfert en cellule. Plus précisément, il s’est agi de s’assurer du bon pilotage du four, puis, après avoir réalisé une interface de commande, de récupérer des données sur le comportement thermique de pastilles postiches placées dans différentes conditions portant sur le creuset (taille et matériau) et les transitoires thermiques imposés (rampes et paliers). Les données issues de cette qualification serviront à terme à simuler le comportement thermomécanique du combustible. Mots clefs :  Centrale nucléaire, radioactivité, élément fissile, réacteur à eau pressurisée, gaz de fission, relâchement ;  Qualification thermique, générateur haute fréquence, rendement en puissance ;  Pastille de combustible nucléaire, creuset, spire, gaz de balayage ;  Thermocouple, pompe à vide, capteur de pression, régulateur de pression/débit ;  Induction électromagnétique, interface de commande PcVue, régulation PID.
  4. 4. 4 Abstract The CEA, French Alternative Energies and Atomic Energy Commission, is a public body established in 1945. Most of the ten French centers of the CEA were actually not created at this time; still, CEA has decades of experience in the nuclear sector. At the beginning, the CEA oriented its research for military purposes. Little by little, new applications for nuclear power have arisen and its research now applies to various domains like life sciences. Therefore, the structure of the CEA is pretty solid. The CEA has over 15,000 employees, some of which helped me transferring my theoretical knowledge to professional life, acquiring new skills and discovering team work method. My placement lasted 6 months and related to the mechanisms of gas releases from irradiated nuclear fuel. The experimental facility I worked on is called MERARG 2. It is more specifically devoted to the study of the behavior of nuclear fuels under thermal transient. My mission was to qualify in non-nuclearized facilities a new high frequency power generator for MERARG 2, before it is transferred to a hot cell. More precisely, the aim was to ensure proper control of the heating part, to achieve an interface dedicated to monitoring thermal testing, and to collect data about fuel behavior under representative conditions, including the size and material of the crucible and different thermal transients. Data collected will ultimately be used in order to simulate fuel thermo-mechanical behavior. Keywords:  Nuclear plant, radioactivity, fissile material, pressurized water reactor, fission gas release ;  Nuclear fuel pellet, crucible, loop, purge gas ;  Thermal qualification, high frequency power generator, power performance ;  Thermocouple, vacuum pump, pressure sensor, pressure controller, flow controller ;  Electromagnetic induction, PcVue interface, PID control.
  5. 5. 5 Glossaire  APRP : Accident de Perte de Réfrigérant Primaire. Très largement étudié, cet accident est provoqué par une brèche dans l’enveloppe du circuit primaire qui entraîne une chute de pression dans ce circuit, une perte de son inventaire en eau et donc in fine un échauffement des crayons de combustible. Voir paragraphes 1.1.2 et 2.2.2.  Diverger : Dans le cas d’un réacteur nucléaire, synonyme de démarrer.  En chaud / en froid : On désigne par l’expression « en chaud » ce qui se trouve en laboratoire haute activité (i.e. dans un environnement nucléarisé), et par « en froid » ce qui ne l’est pas.  Enrichissement (de l’uranium) : Procédé qui consiste à augmenter la proportion de l’isotope fissile (235) dans un échantillon d’uranium. Le terme d’enrichissement désigne également la teneur en matière fissile d’un échantillon.  Générateur HF : Générateur de puissance haute fréquence. Voir paragraphe 1.3.1.  INB : Installation Nucléaire de Base. Dénomination réglementaire pour une installation nucléaire fixe, en France. La liste des INB est tenue à jour par l’Autorité de Sûreté Nucléaire.  Irradiation : dans notre contexte, mise sous flux neutronique du combustible.  MOX : Mélange d’OXydes. Le MOX contient du dioxyde de plutonium PuO2 (7%) et du dioxyde d'uranium UO2 appauvri (93%). L’avantage du MOX est qu’il permet le retraitement nucléaire d’une partie du plutonium issu des combustibles usés. - Source : [1]  Produits de fission : Corps chimiques résultant de la réaction de fission d’un noyau fissile. Ils se forment selon une distribution statistique et sont pour la plupart radioactifs. Voir paragraphe 1.1.2. - Source : [1]  Qualification : Processus de caractérisation de la réponse d’un système en fonction des différentes entrées qu’on lui donne. C’est un concept un peu plus large que celui d’étalonnage, mais similaire.  Recuit : Procédé correspondant à un cycle de chauffage. Il consiste en une étape de montée graduelle en température suivie d'un refroidissement. - Source : [2]  REP : Réacteur à Eau Pressurisée. Largement exploitée par EDF, il s’agit de la filière de réacteurs la plus répandue dans le monde aujourd’hui. Les REP utilisent de l'eau comme fluide caloporteur ce qui les classe dans la famille des réacteurs à eau légère. Cette eau primaire est sous haute pression d’où le nom de REP. A la différence des Réacteurs à Eau Bouillante (REB), cette eau ne bout pas dans le circuit primaire. Voir paragraphe 1.1.2. - Source : [3]
  6. 6. 6 Table des matières Introduction............................................................................................................................................ 7 1. Contexte du stage ........................................................................................................................... 9 1.1 Présentation théorique et historique de la fission nucléaire...................................................... 9 1.1.1. La découverte des réactions nucléaires en chaîne .............................................................. 9 1.1.2. Arrière-plan théorique sur le principe de production d’énergie par une centrale nucléaire et origine des produits de fission gazeux .................................................................... 10 1.2 Présentation du CEA et de mon laboratoire d’accueil.............................................................. 14 1.2.1 Le CEA .......................................................................................................................... 14 1.2.2 La DEN et le centre de Cadarache...................................................................................... 15 1.2.3 Le DEC................................................................................................................................. 16 1.3 Présentation de la mission sur le dispositif MERARG 2 .......................................................... 18 1.3.1 Présentation de MERARG 2 ............................................................................................... 18 1.3.2 Description de la mission.................................................................................................... 20 2. Déroulement de la mission .......................................................................................................... 22 2.1 Montage de la boucle et réglages en vue des essais .................................................................. 22 2.1.1 Finalisation du montage du dispositif................................................................................. 22 2.1.2 Analyse de risques de l’installation .................................................................................... 23 2.1.3 Configuration des instruments de mesure ......................................................................... 24 2.1.4. Interface de commande PcVue.......................................................................................... 25 2.1.5 Calcul du rendement en puissance de l’installation .......................................................... 29 2.2 Prise en main et utilisation de la boucle dans son intégralité.................................................. 32 2.2.1 Protocole de test d’étanchéité préalable aux traitements thermiques.............................. 32 2.2.2 Réglage des paramètres PID de régulation du four ........................................................... 32 2.2.3 Essais de qualification thermique : pilotage et reproductibilité........................................ 36 Conclusion............................................................................................................................................ 39 Annexes ................................................................................................................................................ 41
  7. 7. 7 Introduction Ce stage de deuxième année prend une place particulière dans mon cursus d’études supérieures. Il se situe entre la fin de ma scolarité à l’Ecole Centrale Marseille et mon départ en double-diplôme à The University of Queensland en Australie, où je suivrai pendant deux années le Master of Energy Studies. Le thème des énergies colorera la fin de mes études et probablement ma carrière professionnelle. Je souhaitais avoir une expérience concrète en France dans ce secteur avant de partir en Australie. La durée un peu particulière de ce stage (six mois, de juin à novembre 2014) découle du décalage de la rentrée scolaire dans l’hémisphère sud (en février). J’ai donc profité de l’occasion qui s’offrait à moi de réaliser un stage de deuxième année long, et donc d’autant plus enrichissant. Je suis très heureux que le CEA et le LAMIR, par l’intermédiaire de M. Pontillon, aient donné suite favorablement à ma demande et m’aient permis de réaliser le stage que je souhaitais. Mon choix de stage de deuxième année s’est porté sur le CEA, et plus particulièrement le LAMIR, pour les raisons suivantes :  Le secteur nucléaire est très représenté dans le mix énergétique français comparativement par exemple au mix australien. Il était donc cohérent de me pencher sur ce secteur précis en France avant mon départ pour l’Australie.  Ayant eu déjà deux expériences professionnelles en entreprise (en 2009 et en 2013), je souhaitais cette fois effectuer mon stage dans un organisme dédié à la recherche pour mieux appréhender ce milieu et élargir mon éventail de compétences.  J’avais déjà été en contact avec le LAMIR dans le contexte des Projets Transverses de première année à l’ECM et avais été très intéressé par ce travail. J’avais en outre appris à cette occasion que le CEA était à la recherche d’un stagiaire pour intervenir dans la qualification d’instrumentation de la boucle expérimentale MERARG. MERARG est plus précisément un ensemble expérimental dit de traitement thermique. Il permet de réaliser des recuits à hautes températures (jusqu’à 2800°C) sur des pastilles de combustibles irradiés et d’analyser - identifier et quantifier - les gaz de fission relâchés au cours de ces transitoires thermiques. Ces derniers sont représentatifs des différents modes de fonctionnement des réacteurs, de sorte qu’en plus d’être utiles à la compréhension des mécanismes de relâchement, les données issues de ces expérimentations sont essentielles pour les études de sûreté des partenaires du CEA concernant le relâchement des gaz de fission tant en fonctionnement nominal qu’en séquence accidentelle hypothétique.
  8. 8. 8 Ce rapport s’attachera à présenter cette boucle plus en détail et dans son contexte, non sans avoir au préalable posé un arrière-plan théorique sur le nucléaire et développé une rapide présentation du CEA. Il présentera par la suite ma mission et mes objectifs sur cette boucle, le déroulement des essais réalisés et en proposera finalement une analyse. Plusieurs niveaux de lecture sont possibles. Les passages ou termes clefs sont indiqués en gras. Des notes de bas de page complètent certaines informations données dans ce rapport et en guident la lecture via notamment des renvois en annexe, où figurent des photographies et des informations plus détaillées, mais non essentielles à la compréhension de mon stage dans sa globalité.
  9. 9. 9 1. Contexte du stage 1.1 Présentation théorique et historique de la fission nucléaire 1.1.1. La découverte des réactions nucléaires en chaîne 1896  Le physicien français Henri Becquerel découvre le phénomène de radioactivité naturelle (émission spontanée de rayonnement dans des sels d’uranium). 1899  Henri Becquerel, Pierre et Marie Curie caractérisent le phénomène : ils établissent que d’autres éléments que l’uranium (le polonium et le radium) émettent eux aussi de l’énergie sous forme de rayonnements. Le phénomène est baptisé « radioactivité ». Ils recevront conjointement le prix Nobel de physique quelques années plus tard (1903). 1934  En bombardant une feuille d’aluminium avec des particules alpha, Frédéric Joliot et Irène Curie observent la création d’un isotope radioactif (le phosphore 30) qui n’existe pas dans la nature. Ils viennent de découvrir la radioactivité artificielle. 1939  Les allemands Otto Hahn, Lise Meitner et Otto Fish découvrent le phénomène de fission de l’atome d’uranium 235, induite par l’impact d’un neutron.  Quelques mois plus tard en France, Hans von Halban, Frédéric Joliot et Lew Kowarski mettent en évidence la production de neutrons dans la fission de l’uranium, et imaginent alors la possibilité d’une réaction en chaîne. Dans le paragraphe suivant, nous présenterons rapidement les aspects théoriques de cette réaction ainsi que son utilisation dans la production d’énergie, de l’échelle de la centrale nucléaire à celle du combustible. Le lecteur initié pourra s’il le souhaite se reporter directement à la partie 1.2.
  10. 10. 10 1.1.2. Arrière-plan théorique sur le principe de production d’énergie par une centrale nucléaire et origine des produits de fission gazeux Les centrales nucléaires font partie de la famille des centrales thermiques qui reprennent le principe de conversion de chaleur en énergie électrique (via un groupe turboalternateur). Une centrale thermonucléaire a donc globalement un fonctionnement proche de celui des centrales électriques, à gaz ou à charbon. La principale différence se situe au niveau de l'organe produisant la chaleur. Dans le cas d'une centrale thermique non nucléaire, la chaleur est produite en brûlant du fioul, du gaz ou encore du charbon, tandis que dans le cas d’une centrale nucléaire, il s'agit de « brûler » de l'uranium et/ou du plutonium en entretenant une réaction de fission en chaîne qui produit de la chaleur. Cette réaction de fission consiste à « casser » un atome. Plus précisément, il s’agit de faire interagir le noyau d’un élément fissile (c’est-à-dire qui peut subir la réaction de fission) avec un neutron. Le noyau se casse alors en plusieurs (généralement 2) nucléides plus légers et de masses atomiques inégales en libérant de l’énergie cinétique et des neutrons (entre 2 et 3 en moyenne). Principe de la fission nucléaire Certains de ces neutrons déclencheront à leur tour de nouvelles fissions, ce qui entretiendra la réaction en chaîne. Dans un réacteur nucléaire, cette réaction en chaîne est contrôlée afin que le nombre des neutrons qui donneront lieu à une fission reste constant : sur les deux ou trois neutrons libérés lors d’une fission, seul l’un d’entre eux va provoquer une nouvelle fission, les autres étant capturés (ils sont notamment absorbés grâce à l’ajout d’acide borique dans l’eau du circuit primaire et par des barres de contrôle1 situées en haut 1 Pour l’anecdote, un dysfonctionnement majeur au niveau de ces barres de contrôle est une des multiples anomalies qui ont entraîné l’accident nucléaire de Tchernobyl – source : [4].
  11. 11. 11 de l’assemblage2 ). L’énergie libérée au cours de cette réaction est quant à elle récupérée sous forme de chaleur par l’intermédiaire d’un caloporteur. Dans les centrales EDF, de l’eau joue ce rôle de caloporteur. Soumise à haute température, cette eau est portée à haute pression (155 bars dans le circuit primaire) afin de ne pas se vaporiser. On parle alors de Réacteur à Eau Pressurisée (REP). Les REP appartiennent à la deuxième génération de réacteurs nucléaires. Schéma de principe d’un Réacteur à Eau Pressurisée  Le circuit primaire récupère directement la chaleur au niveau de la cuve réacteur et la transfère au circuit secondaire au niveau du générateur de vapeur. Il permet donc de refroidir le cœur, par une circulation d’eau à une température moyenne d’environ 300°C et à une pression de 155 bars, nous l’avons dit.  Le circuit secondaire apporte la chaleur jusqu’aux turbines qui vont transformer cette chaleur en électricité via un alternateur ;  Le circuit tertiaire, qui peut être par exemple un circuit d’eau d’une rivière lié à des tours de refroidissement, permet de refroidir le circuit secondaire.  Le cœur du réacteur est le siège de la réaction. C’est là que se trouve le combustible nucléaire. Les principaux atomes fissiles sont l’uranium 233, l’uranium 235, le plutonium 239 et le plutonium 241. Un REP utilise en tant que combustible du dioxyde d’uranium (UO2) ou du MOX (mélange d’UO2 et de PuO2) sous forme de pastilles d’une longueur de l’ordre du centimètre. Ces pastilles sont ensuite empilées dans une gaine métallique pour former le crayon de combustible dont la longueur approche 4 mètres. Cette gaine constitue la première barrière de 2 Le terme d’assemblage est expliqué plus tard dans cette partie.
  12. 12. 12 confinement des produits radioactifs. Les pastilles sont maintenues en place dans le crayon à l’aide d’un ressort, et le crayon est en outre constitué de deux bouchons et d’une chambre d’expansion destinée notamment à recueillir les gaz de fission relâchés lors de l’irradiation. Les différents crayons sont eux-mêmes regroupés en structure de type maille carrée pour former un assemblage combustible dimensionné de sorte à assurer un maintien mécanique efficace de l’ensemble. (a) (b) (c) Figures relatives au combustible nucléaire (a) pastilles de combustibles REP ; (b) crayon de combustible ; (c) assemblage de combustible La répartition des produits de fission suit une loi probabiliste qui a la forme caractéristique d’une courbe à deux bosses. Répartition probabiliste des produits de fission pour le cas de l’uranium 235
  13. 13. 13 Nous pouvons constater que les noyaux dont le nombre de masse est proche de 95 ou 138 ont la plus grande probabilité d’être créés à partir d’un noyau d’uranium 235. Le Krypton et le Xenon - qui sont des gaz dans nos conditions de pression et de température - ont des masses atomiques standard de 83,798 et 131,293 respectivement. Ils ont donc une probabilité non négligeable d’apparition lors de la fission. Ainsi, une part des produits de fission formés (entre 20% et 30% en termes de masse) est constituée de gaz. Ces gaz de fission vont pouvoir sous une certaine limite se placer sous trois formes et positions au sein de la matrice céramique :  gaz intragranulaire (sous forme atomique) ;  bulle intragranulaire ;  bulle intergranulaire. Illustration de la répartition des gaz de fission dans la matrice céramique La proportion des gaz dans chacune des trois catégories est liée à la limite de solubilité des gaz dans le combustible ainsi qu’aux temps et conditions d’irradiation en REP. Le comportement des produits de fission gazeux est un des chapitres principaux de la modélisation des combustibles, parce qu’outre le fait qu’ils participent au gonflement du combustible et à la dégradation de sa conductivité thermique, leur relâchement peut également contribuer à l’augmentation de la pression interne du crayon et à terme provoquer une rupture de la gaine ce qui représente un risque de contamination du circuit primaire. Pour cette raison, l’étude des relâchements en gaz de fission constitue un large champ de la R&D au CEA, et le LAMIR s’est doté de l’installation expérimentale MERARG2, ayant pour objectif, nous l’avons rapidement évoqué dans l’introduction, de fournir des données relatives aux relâchements en gaz de fission afin de permettre la validation des modèles implantés dans les codes de modélisation du combustible du CEA et de ses partenaires. - Sources : [1], [5], [6]
  14. 14. 14 1.2 Présentation du CEA et de mon laboratoire d’accueil 1.2.1 Le CEA Le CEA, Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives, est un organisme public de recherche scientifique dans les domaines de l’énergie, de la défense, des technologies pour l’information et de la santé. Il est reconnu comme expert dans ces différents domaines et exerce une présence croissante au niveau mondial. Le CEA fut créé en 1945 à l’initiative du général de Gaulle et son rôle était à l’origine d’étudier l’utilisation de l’énergie atomique dans divers domaines de la science, de l’industrie et de la défense nationale ainsi que les mesures propres à assurer la protection des personnes et des biens contre les effets destructifs de l’énergie atomique. Le domaine d’activité du CEA ne se limite désormais pas à l’énergie nucléaire et son histoire est riche et intéressante. Un historique3 que j’ai réalisé en me concentrant sur le pan de l’énergie nucléaire, sans omettre les avancées majeures réalisées dans les autres domaines, est disponible en annexe, document 1. En France, le CEA est désormais implanté sur 10 centres répartis sur tout le territoire, ayant chacun un statut soit civil, soit militaire. Les différents centres du CEA Tous les chiffres et informations donnés dans cette partie sont les derniers disponibles et datent de fin 2013. Ils proviennent de la documentation papier du CEA qui m’a été transmise ainsi que de son site Internet (http://www.cea.fr). 3 Sources principales : [7], [9], [10].
  15. 15. 15 Ces sites disposent d’un budget global de 4,3 milliards d’euros, dont 2,6 pour le civil et 1,7 pour la défense. Les différents centres du CEA regroupent 16129 salariés, dont la moyenne d’âge s’élève à 45,6 ans. 31,2% de l’effectif permanent est féminin. Le CEA est particulièrement sensible aux questions de l’intégration professionnelle des personnes en situation de handicap, qui représentent 4,15% des travailleurs. L’activité du CEA est découpée en cinq pôles opérationnels. Le site de Cadarache est rattaché à la Direction de l’Energie Nucléaire (DEN), au même titre que ceux de Saclay et Marcoule. Les cinq pôles opérationnels du CEA 1.2.2 La DEN et le centre de Cadarache La DEN4 apporte aux pouvoirs publics et aux industriels les éléments d’expertise et d’innovation sur les systèmes de production d’énergie nucléaire. Il s’agit de développer un nucléaire durable, sûr et économiquement compétitif. La DEN conduit ses travaux selon trois axes majeurs :  les systèmes nucléaires du futur (dits de 4e génération) ;  l’optimisation du nucléaire industriel actuel (ce qui inclut construction, rénovation, assainissement et démantèlement des installations nucléaires) ;  le développement et l’exploitation d’outils expérimentaux et de simulation. Le site de Cadarache est implanté sur la commune de Saint-Paul-lez-Durance5 dans les Bouches du Rhône. Bâtiment d’accueil du CEA 4 Le document 2 de l’annexe donne les chiffres principaux relatifs à la DEN. 5 Le document 3 de l’annexe montre la localisation géographique du site de Cadarache.
  16. 16. 16 Le site (hors ITER6 ) s’étend sur 1600 hectares dont 900 clôturés et comprend 480 bâtiments dont 20 INB7. Environ 5500 personnes y travaillent, dont 2100 avec l’étiquette CEA. Le CEA de Cadarache est divisé en 7 départements. Celui dont dépend mon stage est le Département d’Etudes des Combustibles. Les sept départements du CEA de Cadarache. 1.2.3 Le DEC Le savoir de ce département est organisé autour :  de la R&D liée à l’amélioration des combustibles nucléaires actuels, à la conception et à la qualification de nouveaux combustibles ;  du reconditionnement des combustibles anciens et de matières nucléaires pour leur entreposage ou stockage ;  du développement et de la mise en œuvre d’analyses radiochimiques et chimiques appliquées au combustible, à la contamination des réacteurs et à l’assainissement. Le DEC est divisé en services, eux-mêmes divisés en laboratoires8 . Mon stage s’est déroulé dans le SA3C (Service d’Analyse et de Caractérisation du Comportement des Combustibles). Je dépendais du LAMIR (Laboratoire d’Analyses de la Migration des Radioéléments). 6 ITER (acronyme d’International Thermonuclear Experimental Reactor) est un projet international de type tokamak visant à démontrer la faisabilité d’un réacteur nucléaire utilisant le principe de la fusion. Il est situé sur le site de Cadarache. 7 Installations Nucléaires de Base (voir glossaire). 8 Les différents services et laboratoires du DEC sont présentés en annexe, document 4.
  17. 17. 17 1.2.4 Le SA3C et le LAMIR Le SA3C est plus précisément orienté vers l’étude de l’endommagement des éléments combustibles sous irradiation, et ses conséquences. Le LAMIR est composé de 22 personnes et s’intéresse essentiellement au comportement des produits de fission présents dans les combustibles irradiés, en situation normale, incidentelle ou accidentelle du réacteur, ou en situation de transport et d’entreposage. On distingue différentes équipes :  l’équipe simulation accidents graves, travaillant sur l’installation expérimentale VERDON ;  l’équipe traitements thermiques des combustibles, responsable des études menées sur MERARG et des études menées sur DURANCE dans le cadre des interactions entre la pastille et la gaine ;  l’équipe mesures par spectrométrie gamma, responsable des mesures non destructives ;  l’équipe four HIP, responsable de l’étude des relâchements des gaz de fission hors du combustible sous fortes contraintes de température et de pression. Pour effectuer ses différentes expérimentations, le LAMIR dispose de moyens d’essais et d’analyses implantés dans deux bâtiments (315 et 316). Le premier d’entre eux (celui dans lequel j’ai travaillé) n’est pas une installation nucléaire et permet de faire des essais en froid9 tels que des essais de qualification et d’étalonnage de nouveaux outils expérimentaux. Le second, dénommé LECA STAR (Laboratoire d’Examens des Combustibles Actifs – Station de Traitement d’Assainissement et de Reconditionnement), est l’INB 55. Il est composé de cellules de haute activité destinées à la manipulation de matières radioactives. Chaque cellule est un espace confiné avec des parois blindées d’1m50 d’épaisseur. La cellule numéro 7 contient le dispositif MERARG 2 que je vais décrire plus précisément dans la partie suivante. 9 Voir glossaire.
  18. 18. 18 1.3 Présentation de la mission sur le dispositif MERARG 2 1.3.1 Présentation de MERARG 2 Rappelons que l’objectif de MERARG 2 est d’étudier le relâchement en gaz de fission d’un combustible nucléaire irradié soumis à des contraintes thermiques. Il s’agit plus précisément de :  porter du combustible irradié à des niveaux de température permettant d’extraire l’inventaire gazeux (en intégralité ou en partie) qu’il contient ;  recueillir les gaz relâchés (dans un circuit étanche balayé par une atmosphère neutre ou faiblement oxydante) ;  analyser en ligne les gaz relâchés par spectrométrie gamma et par micro- chromatographie gazeuse (Kr, Xe, He…) ;  en complément, accumuler l’ensemble des gaz relâchés dans des capacités de stockage afin de réaliser des prélèvements pour les analyser en différé. Pour remplir ces objectifs, la boucle MERARG 2 est composée d’un four de traitement thermique associé à des dispositifs de mesure de relâchements gazeux :  un détecteur de spectrométrie gamma ;  une boîte à gants incluant un micro-chromatographe en phase gazeuse (µ-GC) et les dispositifs de récupération des gaz actifs. 10 Schéma de principe global la boucle MERARG 2 10 TT : Traitement thermique
  19. 19. 19 Dans le four de traitement thermique règne une pression régulée à 1200 mbar. Un creuset formé de deux chambres y est disposé au bout d’une tige. La chambre supérieure du creuset contient une pastille de combustible nucléaire. La chambre inférieure sert aux mesures de température. L’ensemble est placé dans un tube de quartz (formant une enceinte étanche) autour duquel s’enroule une spire à induction. (a)11 (b) Figures relatives au four MERARG 2 (a) schéma d’un creuset ; (b) four MERARG 2 Un courant va être généré dans cette spire via un générateur de puissance haute fréquence, piloté par un dispositif (désigné par dispositif Eurotherm dans la suite) de régulation par thermocouple de pilotage situé dans la chambre inférieure du creuset. C’est ce courant qui va provoquer par induction le chauffage du creuset métallique situé au niveau de l’axe des spires12 , puis par conducto-convection celui de la pastille située dans le creuset. Dans le cas de la boucle en chaud, le générateur est situé à l’extérieur de l’enceinte bétonnée et est relié au four grâce à une traversée dans la paroi en béton13 . Un circuit de refroidissement, géré par un groupe froid14 , parcourt la boucle ; il est notamment utilisé afin d’éviter que les joints présents en haut et en bas du tube de quartz ne fondent. L’enceinte est balayée par la circulation de bas en haut d’un gaz porteur (argon par exemple), à un débit de 60 cm3 /min, qui entraîne les gaz relâchés vers les dispositifs de 11 À la demande du CEA, les côtes exactes ont été effacées. À titre informatif, le creuset est d’une hauteur de quelques centimètres. 12 Le principe du chauffage par induction est expliqué en annexe, document 5. 13 Schéma en annexe, document 6. 14 Photographie en annexe, document 7. 40 cm
  20. 20. 20 mesure et de stockage15 . L’analyse en ligne permet de connaître la cinétique des relâchements gazeux tandis que l’analyse en différé, via un prélèvement dans la capacité de stockage, permet d’établir un bilan de matière et de confirmer la cohérence des résultats. Avant mon arrivée en stage, le LAMIR a monté dans un bâtiment non nucléarisé une boucle représentative de MERARG 2. Cette boucle reproduit le plus fidèlement possible la boucle en chaud. Spécifiquement au dispositif en froid, on utilise des échantillons postiches (en zircone ou en alumine) qui représentent le combustible nucléaire. Réplique du dispositif MERARG 2 en froid Il faut insister sur le fait qu’en plus d’un certain confort dans la manipulation qu’il n’y a pas en cellule en chaud, l’apport de ce montage en froid réside dans l’accès direct à la température au cœur de l’échantillon grâce à une mesure avec un thermocouple. Un des objectifs de cette qualification en froid est donc de déterminer le lien entre la température de pilotage (ou régulation) dans la chambre inférieure du creuset et celle de l’échantillon. 1.3.2 Description de la mission Le LAMIR souhaite remplacer le générateur HF dans la boucle MERARG 2 en chaud. Il faut au préalable qualifier en froid le nouveau générateur HF avant son intégration en chaud et c’est cette qualification qui a fait l’objet de mon stage16 . Ici, cela consiste à assurer 15 Photographie du dispositif de spectrométrie gamma et du µ-GC en annexe, document 8. 16 En outre, le module de chromatographie GC doit être remplacé par un spectromètre de masse. L’intérêt de ce remplacement réside dans la possibilité de séparer par spectrométrie de masse les différents isotopes (par exemple ceux du Krypton), chose qui est impossible par chromatographie. La qualification du spectromètre de masse, pré-qualifié à la faculté de Marseille, n’a finalement pas fait l’objet de mon stage. Les parties de MERARG concernées par un remplacement sont visibles en annexe, document 9.
  21. 21. 21 une bonne régulation thermique et à caractériser le comportement de la pastille en termes de température en fonction de l’entrée qu’on contrôle (générateur HF). En résumé on utilise pour cela :  un thermocouple de pilotage, qui va mesurer la température dans la chambre inférieure du creuset et est couplé au module de régulation ;  un thermocouple de contrôle, qui va mesurer la température réelle de la pastille et qui va donc permettre de déterminer le facteur de passage entre la température de pilotage, seule accessible en configuration en chaud, et celle de l’échantillon. Durant ce stage, il m’a été donné successivement de :  finir le montage de la boucle et commander le matériel nécessaire ;  participer à l’analyse de risques de l’installation avec l’ingénieur sécurité et le chef d’installation ;  configurer la communication des instruments de mesure avec l’ordinateur de l’installation ;  adapter une interface de commande sur le logiciel PcVue ;  participer au calcul de rendement en puissance de l’installation ;  régler les paramètres de régulation du four ;  réaliser des essais de qualification thermique. Plusieurs configurations ont été ou devront être qualifiées, selon les critères suivants :  taille du creuset ;  matériau du creuset ;  thermocouples utilisés ;  atmosphère régnant autour de l’échantillon. En effet, plusieurs tailles de creuset existent. De plus, selon les températures qu’on cherche à atteindre, les thermocouples diffèrent - types C tungstène, S platine - ainsi que le matériau du creuset - platine(80%)-rhodium(20%), tungstène, molybdène. L’avantage du platine est qu’il peut être utilisé en atmosphère oxydante (air sec). Néanmoins son point de fusion est moins élevé que celui du tungstène, que nous sommes obligés d’utiliser dès lors que la température est susceptible de dépasser 1400°C. Le tungstène présente l’inconvénient de s’oxyder énormément à des températures supérieures à 300°C, en conséquence de quoi il faut alors travailler sous atmosphère neutre, sous argon dans notre configuration.
  22. 22. 22 2. Déroulement de la mission 2.1 Montage de la boucle et réglages en vue des essais 2.1.1 Finalisation du montage du dispositif Au début de mon stage, le montage de la boucle n’était pas finalisé. Il restait principalement à réaliser la platine gaz, ce que nous avons fait intégralement (découpe, sertissage, etc.) avec un technicien de l’équipe traitements thermiques. Cette partie du dispositif nous permet par un système de vannes de choisir le gaz injecté (argon ou air sec) ainsi que de contrôler le balayage en gaz du four, à la fois en pression (en amont) qu’en débit (en aval). Une fois la platine gaz réalisée, nous avons vérifié son étanchéité avec un détecteur de fuite liquide. La platine gaz, qui permet la régulation des gaz de balayage Entrée argon Entrée air sec Vers four De four Vers capacité
  23. 23. 23 Dans le même temps, j’ai dû identifier le matériel dont nous avions besoin et qui viendrait à manquer par la suite afin d’en passer commande. Ces commandes ont notamment concerné du petit matériel (pastilles factices, thermocouples…) ainsi qu’une pompe à vide afin de tirer à vide sur le four et/ou la capacité de stockage. Cette étape m’a permis d’avoir des contacts avec différents fournisseurs. Nous avons finalement installé la pompe à vide et la capacité de stockage en sortie du dispositif. La capacité de stockage et la pompe à vide 2.1.2 Analyse de risques de l’installation Nous avons mené l’étude de risques de l’installation17 . Une fiche de risque a été établie et des dispositions ont dû être mises en œuvre en compléments des dispositifs déjà présents dans le hall (extincteurs, arrêts d’urgence, trousses de secours…) : 17 Document 10 de l’annexe. Dispositions prises à la suite de l’analyse de risque (a) fiche de risque de l’installation à l’entrée de la zone expérimentale ; (b) bouteille de gaz arrimée, (c) gyrophare allumé lorsque le générateur HF est sous tension ; (d) présence de boutons d’arrêt d’urgence autour du four ; (e) délimitation de la zone MERARG 2 ; (f) pictogrammes de danger et d’interdiction ; (g) contrôle électrique DEKRA du générateur HF ; (h) cadenas de consignation du générateur HF.
  24. 24. 24 2.1.3 Configuration des instruments de mesure A ce stade, il m’a fallu réfléchir au moyen de communiquer avec tous les instruments de mesure. Notons que cela concerne la communication équipement-PC au cas par cas, la centralisation des données expérimentales étant l’étape suivante (paragraphe 2.1.4). Cette partie fut la plus laborieuse de mon stage et je tiens à la développer aussi succinctement que possible. Les thermocouples sont branchés sur un boitier FieldPoint National Instruments de type TC en respectant les bornes du câblage électrique, les instruments analogiques sur un boitier FP de type AI18 . Toutes les mesures de ces deux boîtiers sont centralisées dans le logiciel FieldPoint qui permet leur affichage en tension ou intensité, exception faite des thermocouples de type S où une loi de conversion préexistante permet un affichage direct en température. Fenêtres de communication FieldPoint Il était prévu que la communication avec le débitmètre, le régulateur de débit et le régulateur de pression se fasse par l’intermédiaire d’une pieuvre de ports COM avec des liaisons RS485 compte tenu du matériel en stock et du fait que cette solution avait été retenue dans d’autres dispositifs du LAMIR, mais cela n’a pas fonctionné dans les faits (la 18 Une photographie de ces branchements est jointe en annexe, document 11.
  25. 25. 25 pieuvre était probablement déficiente). Nous avons finalement pris l’option d’utiliser un boîtier permettant de communiquer en RS232 avec ces équipements19. Comprenons que le principe est très analogue, c’est une communication série (comme avec les ports COM présents sur les ordinateurs). Une fois toutes ces communications fonctionnelles, il restait à centraliser les mesures expérimentales et à se doter d’un outil permettant de les sauvegarder pour les exploiter. C’est ce que nous décrirons dans le paragraphe suivant. 2.1.4. Interface de commande PcVue A partir d’un programme développé pour une autre installation expérimentale du LAMIR, j’ai dû faire en sorte que l’ensemble du dispositif MERARG 2 en froid puisse être contrôlé par une unique interface développée sous le logiciel PcVue. Il s’est donc agi d’effectuer par l’intermédiaire de variables les liens entre les mesures fournies par les équipements et l’outil de contrôle commande, et lorsqu’il le fallait, d’entrer les lois de conversion. Tout ceci se fait dans un fichier GLOBAL appelé par notre fichier MAIN. Pour ce faire, il a fallu entrer la loi d’étalonnage de certains de nos instruments, comme les capteurs de pression. Par exemple, dans le cas du capteur de pression ECME114 situé juste en amont du four (correspondant à la variable P_FOUR dans le schéma de la page suivante), nous disposions de valeurs issues d’un étalonnage fait en usine20 (certificat d’étalonnage) qui nous ont permis d’aboutir à la courbe suivante, qui se trouve être une droite : 19 Là encore pour des raisons de stock : nous avions un tel boîtier de communication à disposition et il convenait pour ce que nous voulions réaliser. Une photographie de ce boîtier et une autre du branchement derrière celui-ci sont jointes en annexe, document 12. 20 Tableau de valeurs en annexe, document 13.
  26. 26. 26 On aboutit donc à la loi : 𝑃 = 0,1866. 𝐼 − 0,5638 avec P la pression modélisée en bar, I l’intensité mesurée en mA. Cette loi est appliquée à la variable correspondant à la mesure (en mA)21 . On obtient la valeur de notre autre variable correspondant à la valeur de la pression en bar, qu’on affiche sur l’interface et enregistre lors des essais. L’étape suivante fut l’affichage des différentes valeurs sur un schéma de principe intuitif visible en permanence à l’écran pendant tout le déroulement des essais. Avec PcVue, il s’agit d’insérer un « symbole » en lui précisant le lien avec la variable à laquelle il doit correspondre. Un aperçu de ce schéma, en cours d’essai, est présenté ci-dessous : Schéma représentant le four et la platine gaz, avec les valeurs des différentes mesures Le schéma fait ainsi apparaître :  La puissance du générateur, utile pour connaître la puissance injectée dans le circuit, via le rendement en puissance de l’installation ;  La valeur du courant inducteur traversant la spire. Celle-ci est mesurée à l’aide d’un capteur de courant relié au boîtier FP-AI ; 21 Une explication un peu plus détaillée sur la programmation de ces lois de conversion est fournie en annexe, document 14.
  27. 27. 27 Le capteur de courant (bleu) mesurant le courant inducteur à l’entrée de la spire  La température au cœur de la pastille (mesurée par le thermocouple dit de contrôle situé dans la partie haute du creuset), utile uniquement dans la partie portant sur les essais de qualification (paragraphe 2.2.3) ;  Les valeurs fournies par l’Eurotherm, qui correspondent à la température issue du thermocouple dit de pilotage situé dans la partie basse du creuset, en jaune sur le schéma, ainsi qu’à la valeur de consigne, en vert ;  Les valeurs utiles de pression P_FOUR, P_CAPA et de débit DAMONT. On notera une animation intuitive du symbole représentant la capacité qui permet de visualiser rapidement son remplissage (en bleu dégradé) et donc identifier le moment où il faut arrêter la circulation en gaz ;  Les symboles RPFOUR et RDAVAL, qui permettent (en cliquant dessus) d’entrer une consigne de régulation de pression et de débit. Cette consigne peut être de type fermeture (les régulateurs ne laissent pas passer de gaz, auquel cas les symboles sont grisés), ouverture (les régulateurs laissent passer le gaz dans l’intégralité du tuyau où ils sont placés, auquel cas les symboles sont verts) ou régulation (la valeur imposée par l’opérateur est transmise aux équipements de régulation qui adaptent le débit et la pression à ces consignes). Les 3 modes de fonctionnement dans l’exemple du régulateur de pression (a) fermeture (b) ouverture (c) régulation22 22 Le système va alors, si possible, augmenter le débit en gaz de sorte à atteindre la valeur de régulation, ici fixée à 1200 mbar, et s’y stabiliser. Le fonctionnement du régulateur de débit est similaire. (a) (b) (c)
  28. 28. 28  Les symboles de la pompe à vide C_VIDEFOUR et de la jauge à vide JV_FOUR. La valeur mesurée par la jauge à vide n’est utile que dans des situations où la valeur de la pression est extrêmement faible et qu’on rencontre uniquement dans les tests d’étanchéité préalables aux essais23 , aussi il n’est pas utile qu’elle soit stockée dans une variable. Elle est directement visible sur l’équipement24. Le programme a en outre d’autres fonctionnalités, comme :  Configurer les liens des thermocouples (cette fonctionnalité trouve notamment son utilité lorsqu’on change le type de thermocouple utilisé : cela permet de ne pas changer les branchements25 lorsqu’on change de configuration) ;  Configurer les alarmes. Il en existe deux niveaux : un seuil d’avertissement qui lorsqu’il est franchi entraîne l’apparition d’un message d’alarme sur l’interface, un seuil de coupure qui lorsqu’il est franchi entraîne l’arrêt immédiat du générateur HF ; Exemple de message de passage de seuil  Lancer l’enregistrement, à une cadence choisie par l’opérateur, de toutes les variables dans un fichier Excel exploitable par la suite. Fenêtre de consigne d’enregistrement Une fois le programme fonctionnel, nous avons pu lancer les premières expériences, à commencer par celle permettant le calcul du rendement en puissance de notre four MERARG 2. 23 Voir paragraphe 2.2.1. 24 Voir annexe, document 15. 25 Les bornes de branchement des thermocouples que nous avons fabriqué est visible en annexe, document 16.
  29. 29. 29 2.1.5 Calcul du rendement en puissance de l’installation26 Pour cette partie-là, un ingénieur de la société Athys Consulting, expert en induction électromagnétique, est intervenu. Le but de cette expérience est de déterminer la proportion de la puissance fournie par le générateur qui est réellement injectée dans la boucle et celle qui est perdue27 . L’injection de puissance dans la boucle se fait pendant de très courts moments (de l’ordre de quelques secondes le temps de faire les différents relevés) de sorte à limiter au maximum le temps de chauffe28 . Cette expérience préalable aux essais ne fait intervenir qu’une partie de la boucle : à ce stade, seuls le générateur HF et le groupe froid sont en fonctionnement. Le schéma électrique de l’ensemble de l’installation est le suivant : (a) (b) Schémas de l’installation (a) schéma de principe ; (b) schéma électrique équivalent Un générateur sinusoïdal alimente en courant inducteur variable la spire d’inductance L. Ce courant rencontre deux sources de résistance : Rp correspond à la résistance de pertes liée à la partie « fixe » de l’installation (donc sans le creuset) tandis que Rc correspond à une résistance de charge (c’est là qu’on veut injecter de la puissance). En outre, un boîtier d’adaptation contenant des condensateurs de capacité équivalente C de valeur 4,29 µF29 assure l’adaptation d’impédance30 de l’installation. 26 Dans ce paragraphe, les grandeurs variables dans le temps sont notées selon la convention usuelle en minuscules et les grandeurs constantes ou caractéristiques d’un signal variable en majuscules. Ainsi Iind désignera la valeur efficace du signal variable iind. 27 Ces données sont utilisées en aval par le code de simulation thermomécanique de la boucle expérimentale. Voir paragraphe 2.2.4. 28 Pour deux raisons. La première est spécifique au creuset Platine, qui ne peut pas monter à des températures supérieures à 1400°C. Les essais à haute puissance devaient être donc assez brefs pour permettre d’avoir une marge de sécurité suffisante sur cette valeur. La seconde raison est que la température influe en pratique sur le rendement : il fallait donc réaliser les différents essais à des températures le plus similaires possible. Or cette expérience faisait appel à un intervenant extérieur, payé à l’heure : il n’était pas possible d’avoir trop de délais de refroidissement entre les différents essais. 29 6 condensateurs de 0,66 µF et 1 condensateur de 0,33 µF tous associés en parallèle. 30 Voir annexe, document 17.
  30. 30. 30 2.1.5.1 Calcul de la résistance de pertes La première étape consiste à déterminer la résistance de pertes Rp, qui ne dépend en pratique que de la fréquence du générateur. Pour ce faire on réalise des essais à vide (Rc=0) à une fréquence fixée f0 évaluée à f0=48,64 kHz. La puissance fournie par le générateur est connue et le courant inducteur est mesuré. 𝑅p(𝑓0) est alors donnée par : 𝑹p(𝒇0) = 𝑷 𝑰² où P représente la puissance fournie par le générateur et I l’intensité efficace du courant inducteur. Sur une série d’essais à différentes puissances31 , on obtient : 𝑹p(𝟒𝟖, 𝟔𝟒 𝒌𝑯𝒛) = 𝟏𝟗, 𝟎𝟎 𝒎 𝜴 𝑅p(𝑓) est reliée à 𝑅p(𝑓0) via la relation32 : 𝑹p(𝒇) = 𝑹p(𝒇0) ∗ √ 𝒇 𝒇0 qui nous permet de connaître notre résistance de pertes dans toute situation. 2.1.5.2 Vérification de la valeur de C L’intervenant d’Athys Consulting nous a donné, via des mesures sur la ligne haute fréquence qu’il nous était impossible de réaliser avec notre équipement, une estimation de la valeur de 𝐿 à notre fréquence de travail : 𝐿 = 2,40𝜇𝐻. Il nous a alors été possible de vérifier la valeur théorique 𝐶th = 4,29𝜇𝐹 via la relation de résonance33 𝐿𝐶𝜔² = 1. Nous avons obtenu la valeur de 𝐶 suivante : 𝑪 = 𝟒, 𝟒𝟓µ𝑭 Cela correspond à un écart de 4%. Dans la suite, nous avons décidé de travailler avec cette nouvelle valeur corrigée, qui nous paraissait plus exacte. 31 Voir annexe, document 18. 32 Cette relation est due à l’évolution en 1 √𝑓 de l’épaisseur de peau. Démonstration en annexe, document 19. 33 Voir annexe, document 17.
  31. 31. 31 2.1.5.3 Calculs de rendement34 Il existe deux méthodes pour réaliser ce calcul. La première méthode consiste à utiliser la valeur de L calculée par des mesures de tension sur la ligne HF ainsi qu’une mesure de Uind pour déterminer Iind et finalement la puissance injectée. En effet, Iind est donné par : 𝑰ind = 𝑈ind 𝐿 𝜔 = 𝑼ind 𝟐𝝅𝑳𝒇 Et la puissance injectée par : 𝑷inj = 𝑃GEN − 𝑃p = 𝑃GEN − 𝑅p(𝑓) ∗ 𝐼ind² = 𝑷GEN − 𝑹p(𝒇0) ∗ √ 𝒇 𝒇0 ∗ 𝑰ind² où 𝑃inj représente la puissance réellement injectée dans la spire, 𝑃GEN la puissance fournie par le générateur HF, et 𝑃p la puissance dissipée par les pertes. La seconde méthode consiste à mesurer directement Iind et calculer Pinj par la même formule. Il apparaît que la seconde méthode est bien plus pratique à mettre en œuvre. Tant que l’intervenant d’Athys était là nous avons mis en œuvre les deux solutions afin de vérifier la cohérence des résultats obtenus. Puis une fois celle-ci acquise, nous avons par la suite uniquement utilisé la méthode de mesure directe de Iind. Voici les résultats obtenus : Creuset utilisé Rendement Rapport Pinj(méthode 1)/Pinj(méthode 2) Tube inox, Dext=21mm, e=3mm 28% 102% (de 98% à 105% selon les essais) Grand creuset Pt 25% 95% (de 90% à 100% selon les essais) Petit creuset Mo 22% Méthode 2 uniquement Il a en outre été mis en évidence que pour une configuration donnée, des températures élevées avaient tendance à faire augmenter ce rendement, mais ce phénomène n’a pas été caractérisé. 34 Le tableau Excel pour l’exemple du Creuset Mo est fourni en annexe, document 20.
  32. 32. 32 2.2 Prise en main et utilisation de la boucle dans son intégralité 2.2.1 Protocole de test d’étanchéité préalable aux traitements thermiques Avant chaque série d’essais (c’est-à-dire en début de journée), il faut vérifier que l’ensemble de la boucle est bien étanche. Pour cela on procède à deux tests d’étanchéité : un test à vide et un test en surpression. Le premier test consiste à tirer au vide sur l’ensemble du four afin d’obtenir une pression inférieure à 5.10-2 mbar. Si un trop gros défaut d’étanchéité est présent sur la ligne, ce vide ne pourra pas être atteint car la boucle se remplira en permanence avec l’air extérieur. Dès lors que la valeur de 5.10-2 mbar est atteinte, on considère le premier test comme valide. Le second test consiste à mettre le four en surpression en ouvrant la vanne d’arrivée en gaz de balayage (toutes les autres vannes sont fermées). Lorsque la pression dans le four atteint les 1300-1400 mbar, on coupe cette arrivée. Le four est alors isolé et la pression qui y règne ne doit pas varier si l’étanchéité est vérifiée. On attend un quart d’heure pour vérifier que la pression n’évolue pas. Il s’agit également d’un test qu’on réalise durant la période du week-end : le vendredi soir, on laisse le four en surpression et le lundi matin on vérifie que la pression n’a pas (trop) évolué pendant le week-end (par contre il faut garder en tête que la pression va légèrement évoluer si la température ambiante change). 2.2.2 Réglage des paramètres PID de régulation du four Dans cette partie on s’intéresse au contrôle du générateur HF. La puissance délivrée par le générateur à la spire au cours du temps est contrôlée par un régulateur Eurotherm, en fonction de la température mesurée par le thermocouple positionné dans la chambre inférieure (thermocouple de pilotage) et directement relié à l’Eurotherm, et de la température de consigne (de type rampe/palier). Le réglage est de type correcteur PID (Proportionnel, Intégrateur, Dérivateur) classique. Il s’agit de trouver le jeu PID permettant d’assurer, pour le pilotage à venir des rampes propres, des paliers stables et des transitoires sans dépassements de température (on a donc deux critères : stabilité et précision). Les demandes sont plus précisément les suivantes :  obtenir une rampe de pilotage parallèle à la rampe de consigne ;  la mesure de la température de pilotage peut éventuellement présenter une inertie de démarrage et ne pas rejoindre la consigne (écart de temps entre les rampes parallèles), mais si cet écart est considéré comme acceptable, il devra alors être caractérisé (dans la partie suivante 2.2.3 portant sur la qualification thermique) ;
  33. 33. 33  stabiliser rapidement sans oscillation à la valeur de palier souhaitée. La correction faite par un PID peut s’écrire sous la forme suivante : 𝑪(𝒑) = 𝑲 + 𝟏 𝑻𝒊. 𝒑 + 𝑻𝒅. 𝒑 où : 𝐾 représente le gain (action proportionnelle) ; 1 𝑝 représente l’opérateur d’intégration dans le domaine de Laplace et Ti la constante de temps d’intégration (l’erreur est intégrée et divisée par Ti) ; 𝑝 représente l’opérateur de dérivation dans le domaine de Laplace et Td la constante de temps de dérivation (l’erreur est dérivée et multipliée par Td).  L’action proportionnelle permet d’ajuster la montée et de diminuer partiellement l’erreur statique, mais elle ne garantit pas la stabilité. C’est elle qu’on règle en premier : on annule l’action D et l’action I (Td → 0 et Ti →∞) et on règle le gain pour avoir des oscillations pas trop grandes en boucle fermée.  L’action intégrale permet de rejoindre la consigne (précision), au détriment encore de la stabilité (notamment si Ti est trop faible). Pour régler : on baisse le gain tout en réglant Ti. On cherche ici à ce que l’erreur statique soit rapidement annulée en nuisant le moins possible à la stabilité.  L’action dérivée permet au final de retrouver la stabilité tout en gardant des coefficients très dynamiques en bande proportionnelle et en Ti. Le réglage consiste à augmenter Td petit à petit pour stabiliser (diminuer les oscillations). Synthèse des actions PID dans le sens d’une augmentation de la contribution du paramètre PID
  34. 34. 34 Plusieurs configurations sont à tester35 . Nous présenterons ici les résultats pour le cas d’un creuset de petite taille en Molybdène. Le four doit bénéficier d’une régulation thermique pour des rampes allant de 0,1°C/s à 20°C/s et des paliers allant de 300°C à 2600°C. Les configurations choisies sont caractéristiques de différents états du réacteur. A titre d’exemple, un palier à 300°C correspond au fonctionnement normal du réacteur, et une rampe de 20°C/s jusqu’à un palier à 1200°C correspond au scénario accidentel de référence de type APRP36 . Par manque de temps, les paramètres de régulation n’ont pas pu être définis pour l’ensemble des conditions thermiques dans le cadre de mon stage. Deux types de transitoires seront présentés dans ce rapport37 : rampe de 2°C/s – palier à 800°C, et rampe de 10°C/s – palier à 1200°C. Le réglage initial des paramètres aurait pu se faire selon une approche de Ziegler- Nichols, mais un réglage similaire avait eu lieu lors de la précédente qualification d’instrumentation pour MERARG 2, aussi nous sommes partis des jeux de PID optimaux trouvés à cette occasion. Le résultat de la régulation avec ces paramètres est montré dans la figure ci-dessous. Bien entendu, la régulation n’était à ce stade pas satisfaisante. Les paramètres ont par la suite été affinés pour les deux configurations décrites ci-dessus de sorte à gommer les oscillations résiduelles, jusqu’à obtenir les résultats présentés ci-après. 35 Voir paragraphe 1.3.2. 36 Voir glossaire. 37 En pratique nous avons commencé par essayer de réguler des paliers à 300°C mais le résultat n’était pas satisfaisant. Les réglages pour ce palier et pour les configurations non étudiées durant mon stage feront probablement intervenir un expert de la société Eurotherm (voir paragraphe 2.2.4 à propos des perspectives).
  35. 35. 35 On constate sur ces graphes que la régulation est correcte : les mesures fournissent des rampes parallèles aux consignes et se stabilisent rapidement aux valeurs de paliers souhaitées. L’écart entre les rampes sera caractérisé dans la partie suivante. On retient alors les jeux de PID suivants : Rampe (°C/s) Palier (°C) K Ti(s) Td (s) 2 800 120 11 13 10 1200 240 11 13
  36. 36. 36 2.2.3 Essais de qualification thermique : pilotage et reproductibilité Après la précédente étape de réglage PID, cette partie consiste à observer, dans les deux configurations décrites auparavant, l’évolution des différentes températures :  température de pilotage Tp ;  température au cœur de l’échantillon Te. A l’issue de ces expériences, il faut avoir caractérisé :  la valeur de la pente de chaque température dans la phase de montée ;  l’écart de temps entre les différentes rampes, découlant des délais de transferts thermiques ;  l’écart asymptotique entre le palier de la température de pilotage et le palier de la température de l’échantillon (facteur de pilotage). Trois essais de reproductibilité sont menés, afin de vérifier si la spire est bien positionnée, le chauffage homogène, et si l’échantillon ne s’est pas rompu. L’ensemble des caractérisations listées ci-dessus doivent être identiques pour ces trois essais. Le résultat obtenu pour la configuration petit creuset Molybdène, rampe de 2°C/s – palier à 800°C38 est présenté ci-dessous. On visualise également la température de consigne de la régulation Tc et le courant inducteur. Plusieurs remarques peuvent être formulées. Sur ce graphe, le courant inducteur représenté en violet permet de visualiser l’allure de l’injection de puissance au cours de l’expérience. La régulation PID est toujours bien assurée. La fenêtre de temps est suffisante pour voir la température de l’échantillon se stabiliser en palier. La rampe de la température de l’échantillon est moins nette que celles de consigne et de pilotage : son 38 Les deux autres essais de reproductibilité sont joints en annexe, document 21.
  37. 37. 37 calcul de pente sera moyenné sur une période caractéristique. On visualise bien le fait que la chauffe se fasse de l’extérieur vers l’intérieur du creuset : il y a un délai de transmission de la température vers le cœur de la pastille. A terme, le cœur de l’échantillon est plus chaud, et le facteur de pilotage est évalué à 1,10 dans cette configuration. Les calculs de rampes sont menés par régression linéaire : On réalise la même série d’essais dans le cas de rampes à 10°C/s et de paliers à 1200°C39 . Ces rampes sont élevées et la forte contrainte thermique qu’elles représentent a conduit à une occasion à la fracturation40 de notre pastille. Cette fracturation entraine des anomalies visibles sur la courbe correspondant à la température de cœur de l’échantillon : la température de l’échantillon oscille en réponse quasi-immédiate à la puissance envoyée au creuset. Ceci est dû à la présence de lames d’air et donc de lignes de fuite lorsque la pastille est fracturée. La qualification a dû être refaite pour cette configuration. Pour les deux configurations, les essais de reproductibilité sont cohérents entre eux. L’ensemble des résultats de ces essais de qualification pour le petit creuset en Molybdène avec échantillon en zircone est présenté dans le tableau suivant : Rampe (°C/s) Palier (°C) Pente pilotage (°C/s) Pente échantillon (°C/s) Décalage rampe consigne- pilotage (s) Décalage rampe consigne- échantillon (s) Facteur de pilotage 𝑻e,palier 𝑻c,palier 2 800 2,0 2,3 12 36 (24 à 48) 1,10 10 1200 9,7 9,4 11 10 (7 à 13) 1,18 39 Voir annexe, document 22. 40 Voir annexe, document 23. Consigne
  38. 38. 38 2.2.4 Perspectives Le travail que j’ai effectué au cours de ce stage s’inscrit dans un processus global dont le but est de pouvoir simuler à terme le comportement thermomécanique du combustible. Cela se fera en donnant la courbe de puissance en entrée à un programme développé sur Cast3M, le logiciel de simulation numérique du CEA. Plus précisément, les données expérimentales issues de la qualification auront pour utilité de qualifier le code, c’est-à- dire de vérifier l’adéquation calcul-expérience du comportement thermique de l’échantillon en fonction de la puissance injectée dans le creuset. Une fois validé, le code permettra le calcul de la température au cœur d’un échantillon de combustible réel (sous réserve d’adapter les caractéristiques du matériau : typiquement, on remplace la zircone par le dioxyde d’uranium). De façon schématique : lorsque je souhaite une valeur précise de température au cœur de mon échantillon, je dois alors fixer telle température de pilotage. Rappelons que l’intérêt de procéder en froid sur des pastilles inertes pour toute cette qualification réside dans le fait qu’on ne puisse pas percer une pastille de combustible nucléaire pour y introduire un thermocouple. Il faut en outre limiter au maximum les manipulations en cellule chaude car celles-ci sont très laborieuses. Pour compléter le travail que j’ai réalisé, il faudra recueillir plus de données en réalisant les essais décrits ci-dessus avec le petit creuset en Molybdène dans les configurations de rampes et de paliers restantes, puis avec les autres creusets. Il sera également envisageable de faire intervenir sur l’installation un ingénieur d’Eurotherm expert en régulation afin de tendre vers des jeux de paramètres PID optimaux. Les détails concernant les expériences menées ont été reportés dans un cahier de laboratoire, disponible pour toutes les personnes qui seront amenées à travailler sur le dispositif à l’avenir. En outre, une piste à explorer, mise en évidence par les essais réalisés durant mon stage, peut être de relier plus préciser le rendement en puissance de l’installation à la température de l’échantillon. Il faudra déterminer si cette information est réellement utile ou non pour la simulation Cast3M. Enfin, la qualification du spectromètre de masse41 a débuté début novembre 2014. 41 Voir note de bas de page n°15, paragraphe 1.3.2.
  39. 39. 39 Conclusion Les six mois que j’ai passés en tant que stagiaire au CEA se sont révélés être fort enrichissants et agréables. L’équipe du LAMIR m’a réservé un accueil enthousiaste et cette ambiance de travail a perduré tout au long de mon stage. Les responsables de mon stage, tant au niveau du LAMIR que du SA3C, ont fortement contribué à me faire travailler dans un cadre sérieux et intéressant tout en préservant ce caractère chaleureux. Ce stage s’est révélé extrêmement complet et cela fut très formateur. Sur le plan du savoir théorique que j’ai acquis durant ma scolarité supérieure, le travail que j’ai réalisé a par exemple fait appel, de façon non exhaustive, à mes compétences en programmation, en induction électromagnétique, ou encore en automatique des systèmes linéaires (régulation). Je suis convaincu que ce stage m’a permis de consolider mes méthodes de travail personnel. Il a aussi contribué à renforcer mes capacités de travail en équipe dont j’avais posé les bases lors de mes précédents stages. Plus encore, je pense que cette expérience m’a fait prendre pleinement conscience de tous les facteurs humains qui gravitent dans le mode professionnel. Avec le peu de recul que j’ai sur ce stage au moment de la rédaction de ce rapport, je suis heureux d’avoir eu l’occasion de m’immerger dans le domaine auquel se rapportera la suite de ma vie professionnelle, à commencer par mon séjour en Australie. Je m’envolerai vers cette destination avec l’esprit léger quant à l’orientation que je donne à ma carrière. Conscient de l’apport personnel que ce stage a représenté, je me suis attaché tout au long de celui-ci à essayer de le rendre vraiment profitable pour l’organisme qui m’a accueilli, le CEA. J’espère que mon travail a été apprécié et j’espère également avoir laissé un souvenir à l’ensemble des personnes œuvrant quotidiennement au LAMIR aussi bon qu’est celui qu’elles m’ont laissé à l’issue de ce stage de deuxième année. Je reste disponible42 pour toute question relative à ce stage, soutenu le 1er décembre 2014 à l’Ecole Centrale Marseille. 42 benjamin.speziale@centrale-marseille.fr
  40. 40. 40 Bibliographie [1] : P. Pradel et al., Les combustibles nucléaires ; Editions du Moniteur (2008) [2] : Article Recuit de Wikipédia (octobre 2014) http://fr.wikipedia.org/wiki/Recuit [3] : Les réacteurs à eau pressurisée ; Ministère de l’Ecologie, du Développement Durable, et de l’Ecologie (mars 2012) http://www.developpement-durable.gouv.fr/Les-reacteurs-a-eau-pressurisee.html [4] : D. Jacquemain et al., Les accidents de fusion du cœur des réacteurs nucléaires de puissance ; IRSN, page 12 et paragraphe 7.2 (2012) http://www.irsn.fr/FR/Larecherche/publications-documentation/collection-ouvrages-IRSN/Documents/IRSN_Livre- Accidents-fusion-coeur_2013.pdf [5] : E. Bres, Etude du relâchement des gaz de fission hors du combustible irradié avec un µ- GC et un GC-MS et détermination des incertitudes de mesures associées ; Master Analyse et Contrôle, Université Lyon 1 (août 2011) [6] : B. Meunier, Développement d’un dispositif d’étude du relâchement gazeux hors de combustibles nucléaires irradiés par traitement thermique ; Diplôme de Recherche Technologique, Polytech’ Montpellier (octobre 2007) [7] : Historique du CEA http://www.cea.fr/var/cea/histoire/index.htm [8] : The Standard Model ; CERN (octobre 2014) http://home.web.cern.ch/about/physics/standard-model [9] : C. Dutheil, Super-calculateurs : Intel investit dans un laboratoire de recherche français ; L’Usine Nouvelle (9 mars 2009) http://www.usinenouvelle.com/article/super-calculateurs-intel-investit-dans-un-laboratoire-de-recherche-francais.N31548 [10] : G. Guichard, Le grand emprunt fait la part belle à la recherche ; Le Figaro (14 décembre 2009) http://www.lefigaro.fr/conjoncture/2009/12/14/04016-20091214ARTFIG00439-le-grand-emprunt-fait-la-part-belle-a-la- recherche-.php
  41. 41. 41 Annexes Document Intitulé Page 0 Engagement de non plagiat 43 1 Un historique du CEA 44 2 La DEN en chiffres (2013) 49 3 Localisation géographique de St-Paul-lez-Durance 50 4 Les différents services et laboratoires du DEC 50 5 Principe du chauffage par induction 51 6 Schéma du dispositif MERARG 2 (générateur HF, four et traversée) 51 7 Groupe froid 52 8 Dispositifs d’analyse 52 9 Parties de MERARG 2 à remplacer et donc à qualifier en froid 52 10 Evaluation des risques professionnels 53 11 Branchement des thermocouples et instruments analogiques sur les boîtiers FP 55 12 Boîtier de communication RS232 55 13 Valeurs issues de l’étalonnage en usine du capteur de pression ECME114 56 14 Programmation des lois de conversion 56 15 Mesure de pression fournie par la jauge à vide 57 16 Bornes de branchement des thermocouples 57 17 Principe de l’adaptation d’impédance 58 18 Calcul de la résistance de perte à vide 61 19 Démonstration de la loi Rp(f) à partir de la notion d’épaisseur de pénétration 61 20 Calcul du rendement en puissance dans l’exemple du creuset en Molybdène 63 21 Essais complémentaires de reproductibilité, configuration à 2°C/s-800°C 64 22 Essais de qualification, configuration à 10°C/s-1200°C 65 23 Figures en lien avec un échantillon fracturé 67
  42. 42. 42 Document 0 : Engagement de non plagiat
  43. 43. 43 Document 1 : Un historique du CEA Cet historique est basé sur les sources [7], [9] et [10] principalement. 1945  Création du CEA le 18 octobre 1945.  L’ordonnance de création, approuvée par le Général De Gaulle, définit le rôle du CEA. Celui-ci est chargé de la poursuite des recherches scientifiques et techniques en vue de l’utilisation de l’énergie atomique dans divers domaines de la science, de l’industrie et de la défense nationale. En complément, il étudie les mesures propres à assurer la protection des personnes et des biens contre les effets destructifs de l’énergie atomique.  Le fort de Châtillon (Fontenay-aux-Roses) devient le premier centre de recherche du CEA. Suivra peu après la création du centre de Saclay. 1948  La première pile atomique française, Zoé, diverge sur le centre de Fontenay-aux- Roses. Zoé va permettre des études de physique assez poussées pour mieux comprendre les réactions nucléaires et assurer la production de radioéléments pour la recherche et l’industrie (le premier milligramme de plutonium français est extrait en 1949 à partir d’un élément combustible de Zoé). 1952  Le premier réacteur de recherche du CEA, nommé EL2, est construit sur le centre de Saclay. Il est utilisé pour l’étude de la structure et du comportement des matériaux, ainsi que pour la production de radioéléments. EL2 aura pour successeur EL3 (en 1957), puis Osiris (1966) et Orphée (1980).  Le premier accélérateur de particules du CEA, construit sur le modèle américain Van de Graaff, est mis en service sur le centre de Saclay. Il permettra notamment l’étude du ralentissement des neutrons et des seuils des réactions nucléaires.
  44. 44. 44 1954-1961  Création de 10 centres sur cette période. Ils sont principalement destinés à la conception d’une arme atomique (le programme atomique militaire est officiellement confié au CEA en 1956), à des études de détonique ou de neutronique expérimentale et de criticité et au développement de l’utilisation médicale des radio-isotopes pour l’exploration fonctionnelle chez l’homme. Le centre de Cadarache est créé en 1959. Il est tourné vers l’étude d’une nouvelle filière de réacteurs : les réacteurs à neutrons rapides (RNR). 1958  Le synchrotron à protons Saturne est mis en service sur le centre de Saclay. Destiné à l’étude des particules élémentaires, ce synchrotron est à l’époque le plus puissant d’Europe. 1960  Premier essai nucléaire français (Gerboise bleue) dans le désert algérien. Cet essai sera suivi par trois autres essais sur ce même site à l’air libre en l’espace d’un an, puis de treize essais souterrains dans le Sahara en l’espace de cinq ans. 1963  Le réacteur de recherche Pégase, destiné aux essais des combustibles des filières uranium naturel graphite-gaz et eau lourde, diverge sur le centre de Cadarache.  Quelques mois plus tard, le réacteur Cabri, destiné aux études de sûreté des réacteurs de puissance, diverge à son tour. 1964  Pat, le prototype à terre de réacteur nucléaire pour sous-marin, diverge sur le site de Cadarache. 1965  La première unité de l’usine d’enrichissement de Pierrelatte est mise en service. La technique de fabrication avait été développée par le CEA dans les années 50 afin
  45. 45. 45 que la France puisse disposer d’uranium enrichi car, à l’époque, les Etats-Unis et l’Union soviétique, seuls producteurs, refusaient d’exporter. 1967  Le premier réacteur à neutrons rapides français, Rapsodie, démarre sur le site de Cadarache. 1969  Le CEA réalise une première mondiale en matière de confinement d’éléments radioactifs : les chercheurs viennent de développer un système de confinement de l’activité en « piégeant » dans la structure du verre les produits de fission. Le procédé a été développé au niveau industriel pour la gestion des déchets radioactifs et est aujourd’hui appelé « vitrification ».  Création du premier centre de stockage de déchets radioactifs.  Création de l’accélérateur linéaire ALS300 dans le centre de Saclay. Il restera pendant 12 ans le plus puissant au monde dans sa catégorie (300 MeV) et permettra aux physiciens nucléaires de mettre en évidence la distribution de la densité nucléaire au centre du noyau.  Le tokamak de Fontenay-aux-Roses, TFR, entre en service. Cet outil est dédié à l’étude de la fusion thermonucléaire contrôlée. Dès ses premiers mois de fonctionnement, le TFR atteint des performances supérieures à celles de son plus puissant rival, le tokamak soviétique T4. En 1974, le TFR établit un record mondial en maintenant « en vie » un plasma pendant 50 ms. 1973  Suite aux résultats obtenus avec Rapsodie (cf. 1967), le CEA et EDF s’associent pour développer une centrale prototype. Nommée Phénix, elle diverge sur le site de Marcoule et est une première mondiale. Quelques mois plus tard, Phénix est raccordée au réseau EDF. Arrêtée en 2010, sa vocation était à la fois de fournir de l’électricité et de procéder à l’étude de la transmutation des déchets radioactifs à vie longue. 1975  La Chaufferie Avancée Prototype (CAP) diverge sur le site de Cadarache. Plus compacte que le Pat, elle va permettre à la France de construire les plus petits sous- marins nucléaires du monde : les sous-marins d’attaque (SNA). On peut citer par exemple le Rubis (1983), l’Emeraude (1988) et la Perle (1993).
  46. 46. 46 1976  Le premier scanner français est conçu par le Laboratoire d’Electronique et de Technologie de l’Informatique (LETI) du CEA et est installé au centre hospitalier de Grenoble.  Cette réalisation marque le début d’un fort investissement du CEA dans le domaine de l’instrumentation médicale (caméras, méthodes d’analyse d’image…). 1977  Grâce à ses compétences dans l’utilisation du rayonnement gamma, le CEA (et plus particulièrement le laboratoire Nucléart créé en 1970) met au point le procédé qui permet de conserver la momie de Ramsès II.  Le but du Nucléart est d’appliquer dans le domaine de la conservation du patrimoine culturel certaines des propriétés du rayonnement gamma telles que la destruction des organismes vivants par irradiation à dose appropriée. 1984  Couplage au réseau électrique du premier réacteur nucléaire à eau sous pression à conception entièrement française (Paluel 1). 1985  Superphénix, réacteur à neutrons rapides, diverge en Isère. 1987  Premier chargement en France de combustible uranium-plutonium (MOX) dans un réacteur électronucléaire (réacteur B1 de Saint-Laurent-des-Eaux). Le CEA avait permis la qualification des codes de calculs neutroniques (essais menés dans la maquette EOLE du centre de Cadarache). 1988  Le tokamak Tore Supra, destiné aux études sur la fusion contrôlée par confinement magnétique, est mis en service sur le centre de Cadarache. Tore Supra est le premier grand tokamak à aimant supraconducteur mis en service dans le monde. Il utilise un champ magnétique toroïdal permanent réalisé à partir de 18 bobines supraconductrices refroidies à une température très proche du zéro absolu.
  47. 47. 47 1989  Le LEP, Large Electron Positron collider, entre en service. Cet accélérateur, le plus grand du monde à cette époque, va permettre pendant ses dix années de fonctionnement de valider le modèle standard43. 1992  Mise en service d’un nouveau centre de stockage en surface des déchets de faible et moyenne activité à vie courte, à Soulaines. 1994  Le président Mitterrand décide le développement du programme Simulation, qui doit permettre à la France de garantir la pérennité de la dissuasion sans recourir aux essais nucléaires. 1995  Lancement par EDF et des électriciens allemands de l’avant-projet détaillé de l’EPR, réacteur à eau de 3e génération.  Ultime campagne d’essais nucléaires (dans le Pacifique). 1996  Le CEA met au point un test de diagnostic post mortem de la maladie de la vache folle. Ce test est désormais produit et commercialisé et est utilisé en Europe pour le dépistage systématique des bovins de plus de 2 ans.  Le CEA participe à la construction du LHC, Large Hadron Collider, le plus puissant accélérateur de particules du monde, et plus particulièrement à la conception et construction de détecteurs. Le LHC est situé à la frontière franco-suisse et devenu opérationnel en 2008. 1997  Le sous-marin à propulsion nucléaire le Triomphant est admis au service actif. Sa chaudière de nouvelle génération a été en partie développée par le CEA à partir de la CAP (voir 1975). Il en sera de même l’an suivant pour le Charles de Gaulle et l’année encore après pour le Téméraire. 43 Le modèle standard est une théorie scientifique en physique des particules qui décrit les interactions entre les particules élémentaires qui constituent la matière : elle explique comment la structure élémentaire de la matière est gouvernée par quatre interactions fondamentales. Elle permet notamment de décrire les phénomènes corpusculaires comme les désintégrations nucléaires. (Source : [8])
  48. 48. 48  Le CEA met au point une station robotisée d’aide aux personnes tétraplégiques afin de leur faciliter certaines tâches de saisie et de manipulation. Nommée « Master », elle sera commercialisée.  Une équipe du CEA met en évidence que la caséine kinase 2, protéine au rôle physiologique jusqu’alors inconnu, joue un rôle de frein à la prolifération cellulaire. Il s’agit d’une avancée remarquable en cancérogénèse. 2001  La filiale CEA Industries fusionne avec Framatome et la Cogema pour former le groupe AREVA. 2009  Le CEA, Intel, le GENCI et l’Université de Versailles annoncent la création d’un laboratoire commun (Exascale Computing Research), dédié aux logiciels pour les supercalculateurs de prochaine génération dont la puissance devrait atteindre l’exaflop, soit 1000 petaflops. (Source : [9])  Le Président de la République N. Sarkozy annonce dans son discours sur le Grand Emprunt que le CEA doit devenir le Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives, alors qu’était préconisée la création d’une Agence pour les énergies renouvelables. Cette décision traduit la volonté du pouvoir exécutif d’équilibrer les efforts de recherche entre les différentes sources d’énergies. (Source : [10])
  49. 49. 49 Document 2 : La DEN en chiffres (2013)
  50. 50. 50 Document 3 : localisation géographique de Saint-Paul-Lez- Durance (13) Document 4 : Les différents services et laboratoires du DEC
  51. 51. 51 Document 5 : Principe du chauffage par induction Le courant inducteur qui parcourt la spire crée un champ magnétique. Dans le cas où le courant inducteur est variable, le flux magnétique dans la spire l’est également et une force électromotrice induite 𝑒 = − 𝑑∅ 𝑑𝑡 (loi de Faraday) s’applique aux bornes de la spire. Cela implique la création de courants induits qui s’opposent à la cause qui leur a donné naissance (loi de modération de Lenz) et dont la densité décroit à mesure qu’on se rapproche de l’axe de la spire. Ces courants vont provoquer l’échauffement du creuset par effet Joule, principalement du côté de sa face extérieure (voir document 18 de l’annexe sur l’épaisseur de pénétration). La chaleur va ensuite se propager dans le creuset, de l’extérieur vers l’intérieur, par conducto-convection. Des informations plus détaillées à propos de l’installation électrique figurent dans le paragraphe 2.1.5. Document 6 : Schéma du dispositif MERARG 2 (générateur HF, four et traversée)
  52. 52. 52 Document 7 : Groupe froid (a) (b) (a) spectromètre gamma ; (b) micro-chromatographe en phase gazeuse Document 9 : Parties de MERARG 2 à remplacer (entourées en rouge) et donc à qualifier en froid44 44 Pour rappel, mon stage a pour contexte le remplacement du générateur HF uniquement. Document 8 : Dispositifs d’analyse
  53. 53. 53 Document 10 : Evaluation des risques professionnels
  54. 54. 54
  55. 55. 55 Document 11 : Branchement des thermocouples et instruments analogiques sur les boîtiers FP Document 12 : Boîtier de communication RS232 (a) (b) (a) face avant ; (b) branchement série des régulateurs (pression, débit) et du débitmètre à l’arrière
  56. 56. 56 Document 13 : Valeurs issues de l’étalonnage en usine du capteur de pression ECME114 Document 14 : Programmation des lois de conversion On initialise les valeurs des différentes pentes et des différents offset. Ces valeurs sont automatiquement rentrées dans un tableau. Les valeurs de ce tableau sont appelées dans le programme qui convertit la valeur analogique NomMesureVariable[i],".ANALOGIQUE" en NomMesureVariable[i],".MESURE" la mesure qu’on souhaite :
  57. 57. 57 Le compteur (i) va parcourir tous les instruments de mesure et va nous permettre, grâce à des variables globales qui nous indiquent le nombre d’instruments dans chaque catégorie, de déterminer si on est bien dans le cas d’un instrument branché sur le FP-AI et donc fournissant une mesure analogique en intensité/tension (les tableaux des noms de variable ainsi que ceux des pentes et offsets sont faits de sorte à contenir d’abord toutes les données liées aux thermocouples, puis aux instruments branchés sur le FP-AI, puis aux instruments de régulation). Lorsque nécessaire, la loi est appliquée à la valeur analogique NomMesureVariable[i],".ANALOGIQUE" et le résultat est stocké dans une autre variable NomMesureVariable[i],".MESURE". Remarque : l’exclusion de i=14 est due au fait que la loi concernée n’est pas linéaire : elle est traitée en cas particulier dans la suite du programme. Document 15 : Mesure de pression fournie par la jauge à vide Document 16 : Bornes de branchement des thermocouples45 45 Rouge : thermocouple de type C ; orange : thermocouple de type S ; vert : thermocouple de type K. Dans chaque paire, la borne du haut correspond au thermocouple placé en partie supérieure du creuset et relié au boîtier FP-TC, celle du bas à celui dans la chambre inférieure et relié à l’Eurotherm (thermocouple de pilotage).
  58. 58. 58 Document 17 : Principe de l’adaptation d’impédance46 L’inducteur du four et sa charge peuvent être représentés par une résistance R et une inductance L en série : Ils consomment la puissance de la manière suivante :  la puissance active P est transformée en chaleur (R) ;  la puissance réactive Q est utilisée pour créer le champ magnétique (L). En outre, la tension U est la somme vectorielle des tensions aux bornes de la résistance et de l’inductance. Elle peut être visualisée sur un diagramme de Fresnel. Diagramme de Fresnel RL On observe que U et I sont nécessairement déphasés, et l’angle ∅, lié au facteur de puissance, vérifie : tg(∅) = Lω R Le four se présente comme un récepteur consommateur de puissance active P = U. I. cos(∅) et de puissance réactive P = U. I. sin(∅). Si on branche directement l’inducteur aux bornes du générateur, ce-dernier devra fournir un courant ou une tension beaucoup plus important(e) – dans notre situation environ 10 fois plus important(e) – que celui (celle) qui serait nécessaire pour fournir la 46 Explications réalisées à partir de documentation fournie par Athys Consulting ainsi que mes connaissances personnelles sur le sujet.
  59. 59. 59 même puissance s’il débitait sur une résistance pure. On ajoute donc un élément dans le circuit pour obtenir U et I en phase : cet élément est le condensateur. Dans cette nouvelle configuration, on va chercher à régler C afin que :  le générateur ne fournisse que la puissance active ;  la puissance réactive nécessaire pour établir le champ magnétique soit compensée par la puissance réactive des condensateurs. Il y a deux possibilités pour associer les condensateurs.  Association en série : Dans ce cas, l’impédance complexe équivalente du circuit est : Z = 𝑅 + 𝑗(𝐿𝜔 − 1 𝐶𝜔 ) On va choisir 𝐶 de sorte à ce que 𝐿𝐶𝜔² = 1 (relation de résonance), car dans cette situation l’ensemble du circuit oscillant se comporte comme une résistance de valeur 𝑅 et le générateur ne fournit plus que la puissance active. Diagramme de Fresnel RLC-série Le montage est amplificateur de tension : 𝑈ind 𝑈 = 𝑡𝑔(∅)
  60. 60. 60  Association en parallèle : Dans ce cas, l’impédance complexe équivalente du circuit a pour module : |Z| = √ 𝑅²+(𝐿𝜔)² (1−(𝐿𝐶𝜔)2)²+(𝑅𝐶𝜔)² Si 𝐿𝐶𝜔² = 1 (relation de résonance) et 𝐿𝜔 ≫ 𝑅, l’ensemble du circuit oscillant se comporte comme une résistance de valeur 𝑅 𝐿𝐶 et le générateur ne fournit plus que la puissance active. Diagramme de Fresnel RLC-parallèle Le montage est amplificateur de courant : 𝐼ind 𝐼 = 𝑡𝑔(∅) La condition de résonance est la même pour les deux montages. Par conséquent, la valeur des condensateurs est également la même (les deux montages ne supportent toutefois pas la même intensité ni la même tension). Notre installation est dans la configuration d’une association parallèle.
  61. 61. 61 Document 18 : Calcul de la résistance de perte à vide Document 19 : Démonstration de la loi Rp(f) à partir de la notion d’épaisseur de pénétration La notion de profondeur de pénétration (ou épaisseur de peau) p est définie théoriquement dans le cas d’une plaque semi-infinie à partir d’une décroissance exponentielle du champ magnétique : 𝐻(𝑧) = 𝐻0. 𝑒-z/p Pour définir un modèle simplifié, on remplace la densité variable de courants induits par une densité constante dans l’épaisseur fictive p. L’expression de p est alors : 𝑝 = √ 2 𝜔. 𝜎. 𝜇 = 503,3√ 𝜌 𝜇r. 𝑓 où 𝑓 est la fréquence, 𝜔 est la pulsation 𝜔 = 2𝜋𝑓, 𝜎 est la conductivité électrique du matériau, 𝜌 sa résistivité électrique (comprise entre 10-8 Ωm valeur pour le cuivre et 10-1 Ωm valeur pour le plasma), 𝜇 sa perméabilité magnétique, 𝜇r sa perméabilité magnétique relative (comprise entre 5 et 100 pour les matériaux magnétiques et égale à 1 pour les autres matériaux). z
  62. 62. 62 Rappelons à ce stade que la résistance correspond à :  « l’intégration » type association en série de la résistivité sur la longueur l de propagation du courant (la résistance augmente quand la longueur croît) ;  « l’intégration » type association en parallèle de la résistivité sur la section S de propagation (la résistance augmente quand la section diminue). Par exemple dans le cas de notre creuset, la longueur de propagation correspond à la hauteur du creuset (dimension selon l’axe des spires qui correspond à la direction des courants induits) et la section correspond à la largeur du creuset multiplié par l’épaisseur de pénétration. (a) (b) Figures relatives au creuset (a) orientation du courant dans le creuset et visualisation du vecteur surface de propagation ; (b) épaisseur de peau dans le creuset En pratique, 87% de la puissance est injectée dans cette épaisseur de peau. Dans le cas plus général, lorsque la résistivité est homogène (cas très fréquent), la résistance est donnée par : 𝑅 = 𝜌 𝑙 𝑆 Et en rappelant que S est proportionnel à 𝑝 lui-même proportionnel à 1 √𝑓 on obtient : 𝑅 ∝ √ 𝑓 p
  63. 63. 63 On comprend désormais pourquoi dans une configuration donnée R ne varie qu’en fonction de la fréquence, et cette évolution se fait proportionnellement à la racine carrée de cette fréquence. Notons bien que lorsque le matériau du creuset change, cela change la valeur de la résistance de charge Rc, car la résistivité intervenant dans le coefficient de proportionnalité de cette loi change. Le creuset n’intervient que dans 𝑅c. La partie de l’installation qui intervient dans 𝑅p ne changeant pas, on a bien 𝑅p ∝ √𝑓. On en déduit 𝑅p(𝑓) √𝑓 = 𝑅p(𝑓0) √𝑓0 d’où finalement notre loi : 𝑅p(𝑓) = 𝑅p(𝑓0). √ 𝑓 𝑓0 Document 20 : Calcul du rendement en puissance dans l’exemple du creuset en Molybdène 47 47 Le petit onglet rouge pour l’essai donnant un rendement de 19% indique que nous avons attendu très longtemps avant de faire cet essai (pause du midi). Ainsi la température a eu le temps de chuter et cela a influé sur le rendement (des températures élevées augmentent le rendement).
  64. 64. 64 Document 21 : Essais complémentaires de reproductibilité, configuration à 2°C/s-800°C
  65. 65. 65 Document 22 :Essais de qualification, configuration à 10°C/s- 1200°C
  66. 66. 66
  67. 67. 67 Document 23 : Figures en lien avec un échantillon fracturé Photographie de l’échantillon fracturé

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