In-situ high-resolution measurement of RHF nuclear fuel plates' spacing

International audienceMost of the High Performance Research Reactors (HPRR) are made of plates undergoing a limited swelling during irradiation. Measuring the fuel thickness or the inter-plate distance is then a promissing way to obtain information on the fuel element irradiation history. The experimental constraints are however quite heavy due to the aimed resolution and the element geometry. In order to perform such measurements, a high resolution ultrasonic device was designed. It was thinned down to 1 mm in order to be inserted into the reactor water-channel. The system is then excited with a 120 MHz central frequency burst and the distance measurement is carried out through the ultrasonic waves' time of flight estimation. A series of experiments was performed on a full size irradiated fuel element of the "Institut Laue-Langevin" reactor proving the feasibility of real-time in-situ measurements

Mesure de distance inter plaques combustibles par méthode ultrasonore haute fréquence

The fuel elements of High Performance and Research Reactors are usually made of plates instead of rods. During irradiation, the fuel plates undergo limited swelling and an oxide layer appears on the outer surface of the cladding. However, measuring the inter-plate distance of such fuel elements isn't trivial mainly because of the requested resolution in constraint geometry. Indeed while the typical dimensions of the water channel between plates is close to two millimeter, a resolution of one micron is needed to characterize any fuel plate swelling. In order to perform such measurements, we designed a robust device based upon high frequency ultrasonic probes and adapted to the high radiation environment. It was thinned until 1 mm in order to be inserted into the 1.8 mm width water channel. To achieve the expected resolution, the system is excited with frequencies up to 120 MHz. Thanks to a highly performing signal processing; distance measurement is carried out through the ultrasonic waves' time of flight. One of the crucial points is then the evaluation of the local water temperature inside the water channel. To obtain a precise estimation of this parameter, the ultrasonic sensor is used as a thermometer thanks to the analysis of the spectral components of the acoustic signal propagating inside the sensor multilayered structure. The feasibility of temperature and distance measurement has already been proved with success on a full size irradiated fuel element of the RHF. Some experimental constraints were identified to improve the accuracy of the measurement system in future works.Le Réacteur à Haut Flux (RHF) de l'Institut Laue-Langevin (ILL), uniquement dédié à la recherche fondamentale, produit le flux continu de neutrons thermiques le plus intense au monde, soit 1.5 1015 neutrons par seconde et par cm2, avec une puissance thermique de 58 MW. Ce réacteur possède un cœur constitué d'un élément combustible unique en uranium très enrichi. Dans le cadre d'une étude sur le comportement des éléments combustibles après irradiation, l'ILL souhaite développer un dispositif capable d'aller mesurer la largeur du canal d'eau. Cette mesure permettra de caractériser le gonflement des plaques, inhérent à l'irradiation, ainsi que les modifications de structure (corrosion, décollement,…). Cependant, cette mesure de distance est délicate puisqu'une résolution de l'ordre du micromètre est recherchée alors que la dimension de l'espace inter-plaques est proche du millimètre. Les contraintes d'accès sont également difficiles du fait que l'élément combustible est placé à environ 5 m sous la surface de l'eau. En outre, tous les systèmes sont soumis à de fortes radiations. Basés sur des méthodes magnétiques, capacitives ou optiques, des dispositifs permettent aujourd'hui de mesurer des distances avec une résolution nanométrique et avec des fonctionnalités pouvant être adaptées dans des conditions de températures et de pression difficiles. Ces méthodes ne peuvent cependant pas être appliquées à des systèmes fortement radiatifs ou en immersion. Afin de répondre à cette problématique, deux transducteurs ultrasonores fonctionnant en émission-réceptions ont été conçus, étudiés et ensuite développés dans le cadre de cette thèse. Ces transducteurs sont montés sur une lame en acier inoxydable de 1 mm d'épaisseur afin d'autoriser l'accès à l'espace inter-plaques. Du fait de la haute résolution recherchée, les transducteurs sont excités à une fréquence au-delà de 120 MHz et intégrés dans un ensemble d'instruments de mesure comprenant un système d'acquisition haute fréquence, un traitement de signal de haute précision et une électronique spécifique développée pour améliorer le signal d'excitation.Connaissant la vitesse du son dans l'eau et l'épaisseur de la lame, les transducteurs mesurent la distance inter-plaque à partir de la détermination du temps de vol entre l'émission d'un pulse ultrasonore et la réception des échos réfléchis sur la surface de chacune des plaques. Deux expériences in-situ conduisant à une série de mesure de distance inter-plaque ont été réalisées au sein de l'élément combustible irradié du réacteur à haut flux

Caractérisation ultrasonore hautes fréquences de la distance inter-plaques au sein de réacteurs RHF

International audienceA high frequency ultrasonic sensor is designed to measure the distance between two plates in an irradiated element with access constraints. The measurement system consists in a double ultrasonic transmitter/receiver mounted on a blade in order to be inserted and manipulated into the interstice between two plates separated by about 2 mm. It operates at frequencies up to 120MHz and allows the measurement of the inter-plate distance by evaluating the time of flight of the ultrasonic waves

High-resolution ultrasonic sensor dedicated to in situ nuclear fuel swelling measurements

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High frequency ultrasonic device development for non-destructive RHF irradiated fuel plate characterization

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High-resolution ultrasonic sensor dedicated to in situ nuclear fuel swelling measurements

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High frequency ultrasonic device development for non-destructive RHF irradiated fuel plate characterization

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High Frequency Transducer Dedicated to the High-resolution in Situ Measurement of the Distance between Two Nuclear Fuel Plates

International audienceMost high flux reactors for research purposes have fuel elements composed of plates and not pencils. The measure of inter-plate distance of a fuel element is tricky since a resolution of a micron is searched to measure plate swellings of about ten microns while the dimension between the plates is close to the millimeter. This measure should provide information about the fuel and particularly its history of irradiation. That is the reason why a solution has been considered: a robust device based upon high frequency ultrasonic probes adapted to the high radiation environment and thinned to 1 mm to be inserted into a 1.8 mm width water channel between two fuel plates. To achieve the expected resolution, the system is excited with frequencies up to 150 MHz. Thanks to a specific signal processing, this device allows the distance measurement through an ultrasonic wave's time of flight. The feasibility of such challenging distance measurement has already been proved with success on a full size irradiated fuel element of the RHF