Essais & Simulations n°115

Dossier Incertitudes de

Dossier Incertitudes de mesure Préface Maîtriser les incertitudes en matière d’essais et de simulations Pour nombre de lecteurs concernés par la revue Essais & Simulations, le vocable « incertitude » reste associé à la métrologie et aux « erreurs » de mesure. S’il est vrai que cette interprétation renvoie à une longue histoire, il convient aujourd’hui de la dépasser. En effet, l’évolution des performances des moyens d’essais (mécaniques, climatiques,…), de mesure (capteurs de grandeurs physiques) et de traitement de l’information (algorithmes et logiciels), se traduit par un accroissement significatif de la « précision » des résultats expérimentaux. Sur des sites industriels ou lors de la mise en œuvre de grands moyens d’essais, on peut obtenir des précisions qui relevaient antérieurement du laboratoire. Ce contexte justifie que l’estimation des erreurs de mesure devienne une préocccupation industrielle intimement liée à la pratique de l’ingénieur. De plus, cette problématique tend à s’écarter du domaine métrologique, par une prise en compte de l’incertitude au sens le plus large du terme : des faibles incertitudes instrumentales aux grandes incertitudes de prévision, en passant par les incertitudes de modélisation ou de simulation. Cette extension conceptuelle ne va pas sans difficulté puisqu’elle nécessite de maîtriser un ensemble de disciplines dont la réunion est loin d’être évidente : statistique mathématique, théorie des probabilités, processus stochastiques, modélisations physique et mathématique, théories de la mesure et des modèles, simulation numérique, etc. Comme il serait irréaliste de vouloir traiter de manière exhaustive un aussi vaste sujet, ce dossier se limite à cinq articles successifs dont chacun vise à illustrer un ou plusieurs aspects différents de cette problématique. Dans les deux premiers, leurs auteurs montrent comment la mise en œuvre conjointe de plusieurs techniques permet d’aboutir à une maîtrise efficace des incertitudes expérimentales. Le premier article concerne la mesure d’un débit d’eau chaude réalisée dans un environnement d’accès difficile. Une méthode de calibration précise a été mise au point en couplant des résultats expérimentaux (maquette à échelle réduite du processus) et des résultats de simulation (code de calcul numérique). Comme le montre le second article, la mesure de courants marins nécessite d’estimer certains facteurs d’influence à l’aide de capteurs additionnels. Une plateforme d’étalonnage spécifique à été mise au point, permettant de valider une procédure de correction semi-analytique des incertitudes affectant ces capteurs. Alors que ces deux premiers articles considèrent des incertitudes gaussiennes, les deux derniers sortent de ce cadre habituel et abordent des aspects plus théoriques. Le troisième article réalise une transition entre ces deux parties, le respect de tolérances très étroites amenant l’auteur à considérer des incertitudes non gaussiennes et à développer sur ces bases une méthode statistique d’estimation de la conformité du processus de mesure de la microrugosité de pièces mécaniques. Dans la réalité, les incertitudes relatives ne sont pas toujours faibles et gaussiennes mais distribuées suivant des lois bornées, de même que l’effectif des observations est souvent réduit. Une approche analytique est alors impossible, ce qui a conduit les auteurs du quatrième article à utiliser la méthode de simulation de Monte Carlo en vue d’obtenir des résultats utiles relatifs à plusieurs distributions symétriques et bornées souvent rencontrées dans la pratique. Le cinquième et dernier article vise à montrer que l’incertitude est inhérente aux approches de fiabilité du type résistance-contrainte et que, dans un cas précis d’interaction probabiliste, de faibles incertitudes paramétriques affectent significativement la validité des prévisions de défaillance. Je tiens à remercier vivement les auteurs pour leurs contributions à ce dossier élaboré en période de vacances caniculaires. Lambert Pierrat LJ-Consulting & LJK-LAB Grenoble Essais & Simulations • OCTOBRE 2013 • PAGE 40

Dossier Compte tenu du caractère international des secteurs abordés, certains articles sont écrits et publiés en anglais. Incertitudes de mesure Reactor Coolant System Uncertainty of a RCS FLOW Measurement : joint use of experiments and CFD For safety reasons, reactor coolant system (RCS) flows in nuclear power plants have to be maintained between a high and a low limit. The current measurement uncertainty is impacted by the heterogeneity of the RCS fluid temperature. The objective of the present study is to use existing plant elbow taps (differential pressure measurement) to measure accurately and absolutely the RCS flow continuously and independently of the temperature measurement. Computational Fluid Dynamic (CFD) simulations are used to find out a calibration coefficient for the method. An uncertainty calculation is performed. This innovative method was tested on actual data issued from French nuclear power plants. 1. INTRODUCTION EDF (the French Electricity Generation company) operates 58 PWR-type nuclear units: 34 units of 900MWe 3-loopers, 20 units of 1,300MWe 4-loopers, 4 units of 1,450MWe 4-loopers. Safety is the main concern for plant operation: thus accurate calibration and monitoring of the primary system operation setpoint are of highest importance. As is well known the RCS (Reactor Coolant System) on the primary side is equipped with limited instrumentation for temperature, flow, and power: thus reliability of these measurements is a key requirement, based on adequate monitoring methods. Among these parameters, RCS flow (loop flow, and global reactor coolant flow) is to meet specific requirements: RCS flow has Résumé Pour des raisons de sûreté, le débit primaire des centrales nucléaires doit rester entre une limite haute et une limite basse. L’incertitude de la mesure actuelle est impactée par l’hétérogénéité de température du fluide primaire. L’objectif de cette étude est d’utiliser les mesures de delta de pression existantes dans certains coudes de centrales nucléaires pour mesurer en absolu et précisément le débit primaire, sans que des mesures de température du fluide primaire ne soient nécessaires. La simulation de mécanique des fluides (CFD) est utilisée pour déterminer un coefficient d’étalonnage de la méthode. Un calcul d’incertitude est alors réalisé. Cette méthode innovante de mesure de débit primaire a été testée sur des données réelles de centrales nucléaires. Mots-Clé : Système de refroidissement, mesure de débit, coefficient de calibration, simulation mécanique fluides, boucle d’essai, modèle réduit, analyse de sensibilité, calcul d’incertitude ; Key –Words Reactor Coolant System, flow rate measurement, calibration coefficient, Computational Fluid Dynamic, test loop, scale model, sensitivity analysis, uncertainty calculation; to be accurately checked between a high and a low limit (low limit for fuel integrity, and high limit for potential vessel mechanical effects). Currently RCS flow measurement is performed with an indirect method (heat balance between primary and secondary systems), called RCP114 (performed once at the beginning of the cycle at full load): thus accuracy of the measurements of RCS temperatures on hot and cold legs is the main uncertainty contribution. Because of the measurement technology, uncertainty of the sensors themselves is not the main parameter. Hot leg temperature is measured in a bypass loop fed by extraction of a small flow of the RCS fluid through three scoops: it follows that the T hot measurement is impacted by this imperfect sampling of the heterogeneous RCS fluid (distribution of hot and cold streams from reactor core). This heterogeneous distribution of hot and cold streams is partially due to the core loading pattern: in recent years this loading pattern has been optimized with particular repartition of the fuel rods in order to limit the neutron flux on the reactor vessel to protect its lifetime. Thus emergence of alternative RCS flow measurement technologies independent of the heat balance method may generate interest. A real-time monitoring system of relative RCS flow exists in order to rapidly detect primary coolant pump failure (rotor breakup or inopportune pump stop). This device uses elbow taps located on each RCS loop between outlet of steam generator and inlet of primary pump. Of course the elbow tap calibration with the heat balance method cannot provide a better accuracy than the heat balance method itself: the study hereafter presented aims at developing and evaluating techniques to investigate possible use of the existing plant elbow taps to Essais & Simulations • OCTOBRE 2013 • PAGE 41