Mesure de pressions partielles de gaz par diffusion Raman spontanée - Application à la gestion du risque hydrogène en situation d'accident nucléaire grave

En situation d’accident grave (AG) de fusion d’un cœur de reacteur nucleaire, d’importantes quantites d’hydrogene peuvent etre produites par l’interaction du cœur chaud avec l’eau de refroidissement (oxydation des gaines en zircalloy qui confinent le combustible) ou par l’interaction du corium –magma resultant de la fusion du cœur- avec le beton de l’enceinte. L’hydrogene se diffuse alors dans l’enceinte de confinement du reacteur via des boucles de convection et s’y repartit de facon plus ou moins homogene selon la composition de l’atmosphere. Localement, la concentration limite dite d’inflammabilite peut etre depassee. Pour prevenir ce risque, les enceintes des reacteurs a eau pressurisee (REP) des centrales francaises sont equipees de recombineurs autocatalytiques passifs (RAPs). Malgre ces dispositifs, le risque de combustion persiste. Aussi et pour mieux gerer un AG, il est necessaire de disposer d’informations precises sur la repartition des gaz (H2, air, vapeur d’eau, CO) dans l’enceinte de confinement. A cet egard, le developpement d’un dispositif de mesures multi-points, permettant de caracteriser la composition de l’atmosphere de l’enceinte de confinement en temps reel sans rompre le confinement, represente un atout considerable. Une mesure optique des differents gaz contenus dans l’enceinte met en œuvre un deport par fibre optique du signal au-dela du perimetre radiologique de l’accident. Toutefois, le procede de mesure par absorption habituellement mis en œuvre pour la detection de gaz n’est pas adapte aux molecules symetriques (O2, N2, H2) qui ne presentent pas de transition dipolaire electrique dans le domaine visible ou infrarouge (IR) de transmission par fibres optiques. De facto, les sections d’interaction sont faibles, des cellules d’interaction de parcours importants sont alors necessaires, en contradiction avec l’objectif d’une mesure ponctuelle. A contrario, toutes ces molecules presentent une signature Raman specifique permettant une mesure multigaz absolue (par rapport a un etalon interne a la sonde), ou relativement a un gaz de pression partielle connue (e.g. N2) [2, 3, 4]. La diffusion Raman spontanee (DRS) presente un grand nombre d’avantages pour la gestion du risque H2 en situation AG : mesure ponctuelle (mm3 ), selective, multipoints (analyse multitrack), sonde Raman de constitution simple, robuste (optique passive, pas d’electronique sensible aux environnements nucleaires). L’instrumentation spectrometrique est deportee et emploie peu d’elements (un laser, un spectrometre imageur), optimisant le deploiement, le cout et l’analyse de donnees. Enfin, une detection de gaz imprevus est possible (contrairement au procede par absorption), valeur ajoutee en termes de surete. En contrepartie, la DRS presente aussi des limitations : le rendement est tres faible (Raman/laser 10˜ −15) en raison des faibles sections de diffusion Raman et densite des gaz. Les interfaces optiques doivent etre protegees de la condensation et des contaminants. Dans le contexte du projet MITHYGENE, le CEA LIST, l’IRSN et la societe ARCYS ont mis au point un dispositif experimental de mesure de gaz par effet Raman constitue de sondes Raman reliees par fibres optiques a une unite de mesure transportable. La gamme spectrale Raman s’etend sur [684 – 872 nm] (laser @640 nm) permettant de detecter les especes O2, N2, H2O et H2. Les sondes fonctionnent en espace libre afin de ne pas fausser la repartition du melange (tout dispositif de prelevement ou de confinement par guide est proscrit). Apres etalonnages en enceinte climatique et en tubes a choc (H2/N2), nous detaillons les essais thermodynamiques menes sur 3 sondes dans l’enceinte MISTRA (CEA/DEN) [5] destinee a des essais en gaz et representative (a l’echelle 1/10) d’une enceinte de confinement d’un REP.