Passive vibro-acoustic detection of a sodium-water reaction in a steam generator of a sodium-cooled fast neutrons nuclear reactor by beamforming
Détection vibro-acoustique passive d’une réaction sodium-eau par formation de voies dans un générateur de vapeur d’un réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi au sodium
Résumé
This thesis deals with a new method to detect a sodium-water reaction in a steam generator of a fast sodium-cooled nuclear reactor. More precisely, the objective is to detect a micro-leak of water (flow < 1 g/s) in less than 10 seconds by measuring the external shell vibrations of the component. The strong background noise in operation makes impossible the use of a detection system based on a threshold overrun. A beamforming method applied to vibrations measured by a linear array of accelerometers is developed in this thesis to increase the signal-to-noise ratio and to detect and locate the leak in the steam generator. A numerical study is first realized. Two models are developed in order to simulate the signals measured by the accelerometers of the array. The performances of the beamforming are then studied in function of several parameters, such as the source location and frequency, the damping factor, the background noise considered. The first model consists in an infinite plate in contact with a heavy fluid, excited by an acoustic monopole located in this fluid. Analyzing the transverse displacements in the wavenumber domain is useful to establish a criterion to sample correctly the vibration field of the plate. A second model, more representative of the system is also proposed. In this model, an elastic infinite cylindrical shell, filled with a heavy fluid is considered. The finite dimensions in the radial and circumferential directions lead to a modal behavior of the system which impacts the beamforming. Finally, the method is tested on an experimental mock-up which consists in a cylindrical pipe made in stainless steel and filled with water connected to hydraulic circuit. The water flow speed can be controlled by varying the speed of the pump. The acoustic source is generated by a hydrophone. The performances of the beamforming are studied for different water flow speeds and different amplitude and frequencies of the source.
La thèse s’inscrit dans le cadre industriel de la détection de la réaction entre l’eau et le sodium dans un générateur de vapeur d’un réacteur à neutrons rapides à caloporteur sodium. Plus précisément, il s’agit de détecter une micro-fuite d’eau dans le sodium (débit < 1 g/s) en moins de 10 secondes à partir des signaux vibratoires mesurés sur la virole externe du générateur de vapeur. Le bruit de fond très important de l’installation en fonctionnement risque de mettre en défaut la détection basée sur un dépassement de seuil de l’énergie vibratoire. Nous nous intéressons dans cette thèse à la technique de la formation de voies qui permet d’augmenter le rapport signal à bruit et de détecter et de localiser une source acoustique à l’intérieur du système à partir de signaux vibratoires mesurés par une antenne de capteurs accéléromètres placés sur la coque cylindrique (i.e. virole du générateur de vapeur). Une étude numérique a d’abord été réalisée. Des modèles numériques sont développés afin de simuler les signaux mesurés (virtuellement) par les accéléromètres de l’antenne linéaire considérée. Les performances de la formation de voies sont alors étudiées suivant différents paramètres (i.e. position source, amortissement, fréquence, type de bruit de fond, etc.). Le premier modèle consiste en une plaque plane infinie en contact avec un fluide lourd et excitée par un monopole acoustique situé dans ce fluide. L’analyse des déplacements transverses de la plaque nous permet d’établir un critère sur l’échantillonnage spatial du champ vibratoire par l’antenne. Un second modèle, plus représentatif de la virole du générateur de vapeur, est ensuite proposé. Une coque cylindrique élastique infinie, remplie par un fluide lourd est considérée. Le caractère « fini » de ce système dans les directions radiales et circonférentielles fait apparaitre un comportement modal. Son impact sur la formation de voies est étudié. La méthode est finalement testée expérimentalement. Des mesures sont réalisées sur une maquette composée d’un cylindre en acier rempli d’eau, placé dans un circuit hydraulique dont on maitrise le débit. La source acoustique est générée à partir d’un hydrophone. On étudie alors le gain d’antenne pour différents débits et niveaux d’excitation de la source.
Origine : Version validée par le jury (STAR)