Zirconia Thickness Measurements for Irradiated Fuel Rods: an Approach to Better Understanding Measurement Error

摘要

Des Examens Non Destructifs (E.N.D.) sur crayons REP irradiés sont pratiqués depuis 1992 au centre de recherche du CEA/Cadarache. Parmi les différents contrôles réalisés, la mesure des épaisseurs de zircone fournit des informations sur les répartitions axiale et angulaire de la corrosion le long des crayons. Ces informations sont nécessaires pour comparer la sensibilité de différents types de gainage, à base de zirconium, à la formation de zircone, ainsi que pour détecter et mesurer des phénomènes comme l'apparition de corrosion localisée. Un appareil dédié basé sur le principe des Courants de Foucault est utilisé pour mesurer les épaisseurs de zircone. Pour vérifier la précision des mesures, les résultats des mesures non destructives ont été comparés avec les mesures sur métallographies, sur 39 échantillons. Nous avons constaté que les mesures non destructives surestiment toujours les épaisseurs de zircone. La valeur moyenne de l'erreur systématique est d'environ 4 μm. Nous avons essayé d'identifier l'origine de cette erreur. Une première observation est que le positionnement du capteur est crucial. Il doit être exactement le même pour l'étalon et pour le crayon mesuré. Un mauvais positionnement du capteur produit des valeurs surestimées d'épaisseurs de zircone. Mais d'autres sources d'erreur peuvent aussi expliquer les différences constatées : - l'étalon est constitué à partir d'un tube de gainage qui n'est pas irradié. On sait que la conductivité électrique du zircaloy, parmi d'autres caractéristiques physiques, évolue sous irradiation, et en conséquence les réponses des Courants de Foucault peuvent être différentes, - au moment de la mesure, la puissance résiduelle du crayon n'est pas négligeable et la température du crayon mesuré peut être différente de la température de l'étalon, ce qui peut également modifier sa conductivité électrique. De plus, le capteur lui-même pourrait être affecté par ces différences de température. Pour déterminer les principaux facteurs responsables de cette erreur systématique, nous avons réalisé différents essais sur des tubes de gaine, chauffés mais non irradiés, ainsi qu'en cellule chaude sur crayons irradiés. Ces essais montrent que l'appareil utilisé dans notre laboratoire est très sensible à la température du capteur lui-même. La température du capteur augmente légèrement pendant la mesure du crayon irradié qui possède encore une certaine puissance résiduelle. Ce phénomène conduit à une erreur de mesure, complètement dépendante des conditions de mesure et de l'appareil lui-même.%Non-destructive examinations (NDE) on irradiated PWR fuel rods have been performed since 1992 at the CEA/Cadarache Research Centre. Among the different controls performed, measurement of the zirconia thickness provides useful information on the axial and angular distribution of corrosion down the rod. This is necessary to compare the sensitivity of different cladding types with the creation of zirconia, as well as to detect and measure effects such as local corrosion. A dedicated apparatus based on eddy currents was used to measure the zirconia thicknesses. To verify the accuracy of our measurements, we compared the measurement results with the metallographic measurements of 39 samples. It was observed that the non-destructive measurements always overestimated the thickness of zirconia. The mean value of this systematic error was about 4 μm. We therefore tried to identify the origin of this error. We first observed that the sensor position was crucial. It must be in the exact same position for both the standard (tube section) and the rods. A poorly-positioned sensor on the rod produces overestimated measurement values. Other sources of uncertainty may also explain the difference with the exact values: • The cladding of the standard was not irradiated. We know that some physical characteristics of cladding change during irradiation, in particular electrical conductivity. We do not know how this affects our measurement. The rods still contained some decay heat. Thus, the temperature of the rod cladding could differ from the temperature of the standard. The electrical conductivity of the cladding and thus the eddy current response could be different. The sensor itself could also be affected by the temperature. In order to find the main factors responsible for our systematic error, we performed several experiments on both heated cladding (not irradiated) and irradiated PWR fuel rods inside the hot cell. Based on the results of these tests and in agreement with our feedback, it was found that the device used in the laboratory was very sensitive to the temperature of the sensor. The sensor temperature increases slightly during the fuel rod measurements; this phenomenon leads to an error in the results. This error is completely dependent on the measuring device and should be re-evaluated for each apparatus.