Phénomènes thermohydrauliques dans le cœur d’un REP dans la phase de renoyage B.NOEL
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26-30 Novembre 2007
RENOYAGEINSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP
Phénomènes thermohydrauliques dans le cœur d’un REP dans la phase de renoyage
B.NOELCEA-DEN/DR/SSTH
26-30 Novembre 2007
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PLAN • Accidents « Grosse brèche »
Scénario Thermohydraulique du cœur
Phase de décompression Phase de remplissage Phase de renoyage
• Renoyage Ecoulements et échanges thermiques en renoyage
Amont font de trempe Aval font de trempe Au voisinage front de trempe
Aspects complémentaires Effets des grilles de maintien Effet du débit oscillant Effet d’un résistance thermique Effet bi-dimensionnel
• Conclusion
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APRP GROSSE BRECHE
Rupt
ure
Guillo
tine
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APRP GROSSE BRECHESCENARIO
• DECOMPRESSION: PRESSION : 155 bar 4 bar (25s) t~0.5 s: AU (129 bar) t~1 s : signal ISHP (117 bar) t~12 s : déclenchement Accumulateurs (42 bar) t~29 s : fin bypass-cœur masse minimum du CP
CP majoritairement en vapeur (en particulier cœur) Fond de cuve, plenum supérieur zones d’injection (BF) en eau
• REMPLISSAGE t~30 s: Démarrage de l’ ISHP t~40 s : recouvrement du bas du coeur
• RENOYAGE : 40 s à 250s Vitesse du front de trempe faible : quelques cm/s Température gaine maximum
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RENOYAGE EVOLUTION TG et PRESSION
1er pic
2ème pic
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APRP GROSSE BRECHEDECOMPRESSION
• Phénomènes : 150 bar 70 bar dépressurisation très rapide (5 à 50 ms) : 70 bar débit à la brèche critique : côté cuve (25à 28t/s) et côté
pompe (12 à 15 t/s) ébullition dans le cœur et crise d’ébullition (t<1s)
refroidissement des crayons par le régime d’ébullition en film ( peu efficace)
dégradation des échanges thermiques point de stagnation dans le cœur (5s)1er pic Tgaine
P primaire < P secondaire (5 s – 10 s)) Point stagnation dans GV ( point chaud) inversion débit dans
le cœur refroidissement TG déclenchement accumulateur vers 12 s : P=42 bar
Début phase de remplissage Masse minimum au CP : cœur en vapeur
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APRP GROSSE BRECHEREMPLISSAGE : PHENOMENES
IMPORTANTS• décharge accumulateurs violente
fortes instabilitées dues à la condensation (Tsub200 °C)
• eau arrive dans l’espace annulaire eau bypassée à la brèche situation d’engorgement avec condensation dans
l’espace annulaire (downcomer) : courant ascendant de vapeur contrarie la descente de l’eau des accumulateurs
Vidange du fond de cuve par arrachement mécanique et vaporisation
diminution débit et pression liquide descend vers le fond de cuve
déstockage structure qui ralentit la descente du liquide vers fond de cuve
recouvrement bas du cœur vers 30 -35 s Montée quasi-adiabatique des températures gaine
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APRP GROSSE BRECHEREMPLISSAGE
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APRP GROSSE BRECHERENOYAGE
ISBP prend le relais des accumulateurs Phase initiale : oscillations gravitaires entre cœur et downcomer
grande masse d’eau arrivant dans le cœur chaud forte vaporisation surpression locale une partie de l’eau chassée vers le plenum supérieur et l’autre partie ré_expulsée dans le downcomer
Eau arrachée du cœur se vaporise dans le cœur, le plenum supérieur, les BC et les GV (steam binding); pression remonte en aval du cœur ce qui entretient les oscillations (T~3s) ; rééquilibrage manométrique entre cœur et downcomer
Baisse de températures gaine Phase finale: renoyage gravitaire
montée progressive d’un front de trempe (quelques cm/s) favorisée par une conduction axiale dans la gaine
TG croissent, atteignent un 3éme pic, décroissent à l’approche du front de trempe puis chutent brutalement lors du remouillage
Haut du cœur en suppression / haut du downcomer niveau tassé cœur < niveau tassé downcomer
Front de trempe en haut du cœur descendant Films liquides sur les crayons alimentés par l’eau du plenum
supérieur
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RENOYAGE
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RENOYAGE: Echanges thermiques
Ébul
litio
n nu
cléé
e
A
Tp-Tsat (°C)Tsat
B
q’’ (
W/m
²)
C D
E (Tmax)
F
Conv
ectio
n
Ébul
litio
n en
film
tran
sitio
n
TBO TMFS
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RENOYAGE: Echanges thermiques • Zone renoyée (amont du front de trempe)
Régime d’ébullition nucléée écoulements à bulles ou agités; si alfa élevé régime d’écoulement annulaire
• Zone du front de trempe (FT) et proche aval FT Progression du FT gouvernée par la conduction axiale et radiale dans la
paroi Entrainement de gouttelettes: fort déstockage d’énergie éclatement du
film liquide création de gouttelettes entraînées par la vapeur qui au proche aval FT impactent les crayons et contribuent à leur refroidissement
Addition d’un flux spécifique au voisinage du FT qui représente l’augmentation du flux échangé du à la perturbation de l’écoulement par le FT
• Zone sèche (en aval du front de trempe) Différentes configurations d’écoulement fonction de alfa et de la sous-
saturation au niveau du FT : XTH<0, écoulement annulaire inversé avec ébullition en film (IAFB) ou écoulement à poches inversé avec film vapeur (phase initiale) XTH>0, alfa très grand écoulement dispersé à gouttes (renoyage gravitaire)
(DFFB) Transferts de chaleur couplés aux phénomènes hydrodynamiques des
gouttes Échanges entre les crayons et la vapeur : écjhanges convectifs(qpv) Échanges entre vapeur et gouttes à travers l’interface : (qvi et qil) Rayonnement entre crayons et liquide
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RENOYAGE
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RENOYAGE
FT
Z
TTsat
Tg Tv Tp
crayons
vapeur
gouttesrayonnement
rayonnementconvection
convectionévaporation qvi
qli
qpv
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RENOYAGE : MODELES CATHARE• Zone renoyée (amont front de trempe)
Echange convectif (forcé ou naturel) Ébullition nucléée : corrélation de THOM modifiée (facteur
correctif en alfa)• En aval du front de trempe
Modèle d’effet des grilles : fractionnement des gouttes (Br(Vg)) Frottement interfacial: corrélations appliquées aux écoulements
dispersé et annulaire modifiés Échanges thermiques:
Échange vapeur- interface : vaporisation qvi=(1-gh)*qviia+ gh*qviof avec
gh(), facteur de distribution entre l’écoulement IAFB et DFFB Echange liquide-interface : qli en écoulement à gouttes modifié Échanges en paroi : convection + ébullition en film
– Échange paroi-vapeur: échange convectif– Echange paroi interface: qpi=qbo, ébullition en film corrélation de type
Berrenson– Échange paroi-liquide: qpl=Hbss*qbo, Hbss facteur de distribution
Rayonnement: vapeur, liquide tiré d’ expériences analytiques• En aval immédiat du FT
Échange paroi-interface (qpvi): terme supplémentaire– Prise en compte de la pulvérisation du liquide sur la paroi augmentation
du flux de vaporisation : qpvi=4200*f()*MAX[0,(1-ZFT/Z0)]*(TW-TS)– Essais ERSEC, PERICLES
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RENOYAGE : MODELES CATHAREau voisinage du Front de trempe
• FT gouverné par la conduction axiale et radiale
• Conduction 2D dans le crayon dont le maillage glisse le long de la paroi avec le front de trempe à VQF
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RENOYAGE : MODELES CATHAREau voisinage du Front de trempe (suite..)
• Équation de conduction avec le référentiel mobile:
équation de bilan de l’énergie (CpT)
• Conditions limites au niveau de la paroi 2D Pas d’échanges d ’énergie avec l’extérieur En bas, pas de conduction axiale En haut, flux cinétique pris en compte avec le fluide : couplage avec le fluide par le flux φW
φW = φ1+ Vb,lC ΔTb,l/ΔZ
avec φ1=h1(Tw-Tsat), flux convectif φ2=Vb,lCTb,l/ΔZ = K2(P,G,X) TW/ΔZ, flux transporté par
la couche limite Qb,l =εVbl, débit liquide dans la couche limite Tb,l: variation de la température moyenne dans la couche limite K2(P,G,X), corrélations tirées de PERICLES,ERSEC
Équation de localisation du FT:Tw(ZQF) = TBO
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• en amont du FT: échange en ébullition nucléée dans le film liquide descendant
• au FT: conduction axiale due au fort gradient dTP/dz
• au voisinage du FT: région de transition en ébullition en film
Ébullition violente et désintégration du film liquide
Jet de gouttes pulvérisés du film liquide Passage de l’ébullition en film à
l’ébullition en écoulement disperséφTB=*qCHF + (1-)*qFB(TMFS)
avec φTB/qFB=[(TW-Tsat)]/(TBO-Tsat)]n
n, corrélation de Johansen qCHF, corrélation de Zuber
• En aval du FT: échange vapeur sèche
RENOYAGE : renoyage par le haut
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BETHSY 6.7C: phénomènes en renoyage
Génération vapeurdans le cœur
coeurvapeurdestockee QLP
coeurdownP /
PLSGVgouttes
coeurvapeur
vcoeurdown PQQkP
2/ 2
Formation gouttes
Dépôt / entraînement gouttes
Vaporisation
Condensation
Eclt co- et contre-courant liquide cont. / gouttes
Remplissage
Renoyage
Steam binding
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Exemple de calculs BETHSY
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ASPECTS COMPLEMENTAIRES• EFFET des grilles de maintien
Mise en évidence à partir d’expérience analytique Effets locaux : Grille sèche
h(grillevapeur) car Tv Vaporisation gouttelettes sur bord d’attaque de la grille Tv h(liqvapeur) car u Tv (accélération partielle due à l’inertie des gouttes) Aire interfaciale Tv (bris des gouttes sur la grille et dans le fluide)Effet d’ailette Tc
Effets lcaux : Grille mouillée h(grillevapeur) car Tv Aire interfaciale Tv (passage d’une configuration gouttelette à une configuration
gouttelette + film) h(liqvapeur) car u Tv Effet d’ailette Tc
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ASPECTS COMPLEMENTAIRESgrilles de maintien (suite…)
Effets en aval : Grilles pertubent l’état de l’écoulement 2 localement effet
en aval ailettes : turbulence à l’entrée de la zone aval Effets différents selon que la grille est sèche ou mouillée(GS < Gm)
Effets sur la progression du front de trempe Effet local : UFT car Tc + faible au niveau de la grille Effet à l’aval : lié en particulier à l’effet sur la thermique
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ASPECTS COMPLEMENTAIRES grilles de maintien (suite…)
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ASPECTS COMPLEMENTAIRESEFFET des tubes guides
• Mise en évidence à partir d’expériences analytiques
avec et sans tubes guides TPm t(Trempe)
• Description Effet de paroi froide
rayonnement Drainage possible de l’eau dé-entrainée
Importance de la température initiale des tubes guides Potentiellement générateurs de non uniformités radiales dans
la grappe (cross-flow)
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ASPECTS COMPLEMENTAIRESeffet des oscillations de débit
• Mise en évidence à partir d’expériences analytiques ERSEC : 1 assemblage de 6*6 crayons (h=3.656 m dext=9;5 mm
pas 12. mm sans grille) ROSCO : 1 assemblage de 4*4 crayons (h=3.656 m dext=9;5 mm
pas 12. mm 8 grilles) Investigation de l’effet système (steam binding)
• Résultats : Pas d’oscillations du Front de Trempe t(Trempe) et TPmax identiques à ceux rencontrés avec un débit
constant égal au débit moyen• Principaux enseignements
Global: en Qosc, renoyage cœur plus hétérogène, refroidissement en aval grille amélioré, échauffement du cœur réduit en aval du FT mais retardement du renoyage du à l’expulsion de liquide en dehors de la SE pour les fortes oscillations
Effet de l’amplitude: refroidissement des crayons d’autant meilleur que les amplitudes de Q
sont importantes (entrainement de liquide en aval du FT plus important); niveau tassé inversement proportionnel aux amplitudes
Effet du débit moyen: même effet qu’avec Qcte (Q, refroidissement amélioré)
Effet Tliq entrée: Tsub en Qosc, TPmax peu dépendant de la sous-saturation mais VFT retardé à Qcte , TPmax car entrainement plus faible mais peu d’effet sur Vft
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ASPECTS COMPLEMENTAIRESeffet des oscillations de débit
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ASPECTS COMPLEMENTAIRESeffet de la résistance thermique du jeu
• Mise en évidence à partir d’expériences analytiques
ROSCO : 1 assemblage de 4*4 crayons (h=3.656 m dext=9;5 mm pas 12. mm 8 grilles)
Crayon de type conventionnel: gaine en inconel 316 (e=0.6 mm) rempli de nitrure de bore sans gap)
Crayon de type réaliste (gaine en zircalloy, pastilles de nitrure de bore, gap de 50m rempli de gaz (argon ou hélium)
• Principaux enseignements Effet type de crayons
Renoyage plus rapide en type réaliste TPmax plus grand : (Cp)real=0.78 (Cp)CON
Propriétés du gaz: évolution du gaz en fonction du burn-up
Argon/helium : (AR) = (He) / 8 à Qcte, rôle d’isolant FT monte plus
vite à Qosc, absence d’expulsion de liquide et forte vaporisation réduction importante du FT et de TPmax
Sans gap: effets précédents accentués
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ASPECTS COMPLEMENTAIRESeffet de la résistance thermique du jeu
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ASPECTS COMPLEMENTAIRESEFFETS bidimensionnels
• Mise en évidence à partir d’expériences analytiques PERICLES 2D : 3 assemblages rectangulaires de 7*17
crayons (h=3.656 m, dext=9.5 mm, pas=12. mm) Profil radial de puissance: 2 assemblages froid entourant
l’assemblage chaud : FXY =1, 1.435 et 1.85 Profil axial de puissance
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RENOYAGE : PERICLES 2D
• EFFETS bidimensionnels observés
En dessous du FT, « cross flows » mélange presque parfait entre assemblage
limite les inhomogénéités Progression du FT dans
l’assemblage chaud accélérée par : le refroidissement du aux « cross
flows en amont du FT eau déversé en aval du FT de l’Ass.
Chaud du au FT plus avancé dans Ass. froid
TPmax limité du à l’entrainement d’eau plus important dans l’assemblage chaud
dé-entrainement de l’eau dans le plenum supérieur
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RENOYAGE : PERICLES 2D
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CONCLUSION
• Connaissance des phénomènes en renoyage Identifiés et pris en compte dans les outils de calcul
Validation large sur une large gamme d’essais analytiques ou système
Progrès dans la modélisation des mécanismes fondamentaux au niveau des écoulements diphasiques et transferts de chaleur
Dans le futur, recherche de la réduction des limites dans la généralité des modèles qui gardent un fort degré
d’empirisme– extrapolation en dehors du domaine qualifié hasardeuse– un nouveau réacteur, un nouvelle géométrie un nouveau type
d’injection de secours conduisent à un travail requalification des modèles
Liées à la précision des modèles qui laissent une incertitude sur la température maximale de gaine qui peut être pénalisante pour certains réacteurs
Besoin industriel Étendre le domaine d’application vers
– les températures élevées supérieures à 1200 °C– pour des géométries partiellement (gonflements) ou totalement (lit
de débris) dégradés