LES ECOULEMENTS ET TRANSFERTS DE CHALEUR DIPHASIQUES DANS

LES ECOULEMENTS ET TRANSFERTS DE CHALEUR DIPHASIQUES DANS LES REACTEURS ECOULEMENTS DIPHASIQUES DANS LES REPs D. Bestion 1

CONTENU L’APRP Grosse Brèche: Scenario Phénoménologie Les petites brèches Scenario Phénoménologie Quelques phénomènes de base Transferts de chaleur Débits critiques Engorgement Circulation naturelle 2

Le REP 900 MWe 3

Les Accidents de Perte de Refroidissement des REPs = situations où écoulements et transferts thermiques sont perturbés et capacités de refroidissement du cœur modifiées ou dégradées: q APRP-GB q Brèches de taille plus petite situées en : branche froide, branche chaude, branche intermédiaire, fond de cuve, pressuriseur, . . . q Ruptures de tubes de générateurs de vapeur: RTGV q Rupture d’une ligne vapeur: RTV q Rupture d’une tuyauterie d’alimentation q Perte d’eau alimentaire aux GVs q Perte totale d’alimentation électrique q Perte du réseau de refroidissement à l’arrêt Ces accidents peuvent être étudiés en y associant des défaillances secondaires de certains systèmes. 4

Le REP et ses IS Les brèches envisagées 5

l’APRP Grosse Brèche = plus grosse brèche retenue pour le circuit primaire = base du dimensionnement d’organes de sûreté des REPs notamment des injections de secours = rupture totale (guillotine) d‘une branche froide doublement débattue Warning: rupture guillotine à débattement partiel plus graves qu’un débattement complet 6

Rupture Guillotine Le REP et la Grosse Breche 7

Hypothèses de l’APRP-GB GB_2 mn 40. mpg q Pini = 102% PN q Facteur de point chaud > à 2, 3 q Pcoeur chute dès l'apparition de vapeur (ANS + 20% ou SERMA +10%) q Perte des alimentations électriques externes q Arrêt des pompes primaires rotors libres q Alimentation des GVs stoppée et lignes vapeur isolées q Signaux d‘AU et IS retardés de 131 à 129 et de 119 bars à 117 bars q Démarrage des IS avec retard de 30 secondes q Principe de défaillance unique: une seule file IS q Accumulateur de la branche rompue totalement perdu q Aspersion enceinte en service 27 secondes après le début de l’accident ; les deux files fonctionnent normalement : minimise la pression enceinte. 8

Hypothèses de l’APRP-GB pour l’enceinte de confinement Les hypothèses visent à maximiser la pression enceinte maximale : q La température de l’eau primaire majorée de 2, 2°C et volume = 103% du volume du circuit primaire à froid q Tous les accumulateurs et les deux files d’Injection de Secours fonctionnent q Les pression et température initiale de l’enceinte sont- les valeurs maximales autorisées q Principe de défaillance unique: une seule file d’aspersion de l’enceinte fonctionne 9

Critères d’acceptabilité Critères définis en 1973 par l’US-NRC, pas modifiés depuis: • Tgaine(max) < 1204°C soit 2000°F (éviter emballement réaction exothermique entre l’eau et le zirconium) • Taux d’oxydation des gaines en tout point < 17% de l’épaisseur ( éviter fragilisation des crayons combustibles au remouillage) • Taux d’oxydation moyen des gaines < à 1% (pour limiter quantité d’H 2 produite) • · Le· cœur doit garder une géométrie qui permet son refroidissement • Refroidissement à long terme : la température du cœur doit être maintenue à une valeur acceptable basse et la puissance résiduelle doit être évacuée pendant tout le temps nécessaire 10

Scénario de l’APRP-GB 11

La Décompression Phénomènes physiques importants qui ont nécessité des études expérimentales et théoriques : Ø les débits critiques aux brèches cotés cuve et pompe Ø les pertes de charge à la traversée de la pompe Ø les transferts de chaleur dans le cœur : • convection puis ébullition Point de • crise d'ébullition stagnation ds • ébullition en film Cœur puis GV Ø La vidange du fond de cuve Ø La thermomécanique des crayons combustibles 12

Transfert de chaleur en convection forcée Tp <Tl> p T(r) Convection = Conduction dans un milieu en déformation - convection naturelle si mouvement créé par - convection forcée si mouvement imposé par P Analyse dimensionnelle V(r) Recalage empirique (Ex: tube chauffant) Ex: P = 150 bars; Nu = 717 TL = 300°C; F = 140 W/cm 2; V = 4, 5 m/s h = 33400 W/m 2/K Tp - TL = 42°C 13

Transfert de chaleur en ébullition nucléée Tsat Tp > Tsat Tl<Tsat p Si Tp > Tsat(P) Ø le fluide au contact de la paroi se vaporise Ø des bulles se détachent de la paroi Ø si le liquide est en moyenne sous saturé, les bulles se recondensent au sein de l’écoulement. F = h (Tp -Tsat) Tp = Tsat Tp Tsat T(r) Processus encore plus efficace que la convection: Ø la chaleur latente de vaporisation absorbe une grande quantité d’énergie, Ø les bulles ont une grande surface d’échange et elles accroissent la turbulence dans le liquide. Flux de chaleur Chaleur latente flux vapeur Problème: Lorsqu’il y a trop de production de bulles, elles coalescent et forme une couche de vapeur qui isole la paroi du liquide. chute brutale des échanges paroi-fluide. Caléfaction Crise d’ébullition Flux critique 14

B Tsat C F Ébullition en film A transition Ébullition nucléée Convection q’’ (W/m²) Courbe d’ébullition g[1]. avi E (Tmax) D Tp-Tsat (°C) 15

Etat initial du crayon q Arrêt de la réaction neutronique q Chute des échanges avec le fluide Plmoy = 186 W/cm (420 W/cm max) H 2 O UO 2 T(°C) Tf=2800 H 2 O 900/1800 500/600 PN moy/max Ø Aplatissement du profil de T° Ø Montée Tgaine Arrêt chaud 305/345 300/330 80 16

Le comportement du crayon combustible • Aplatissement du profil de T° qui provoque une élévation de Tgaine fonction de l’énergie stockée initialement • L’énergie stockée dépend de: * conductivité de la pastille porosité dégagement des gaz de fission. * coefficient d’échange dans le gap • Gonflement gaine: déformation élastique puis fluage • On peut atteindre la rupture • Entre 825°C et 975°C, la gaine subit un changement de phase, (hexagonale compacte) à (cubique centrée) • Oxydation de la gaine pour les hautes T° 17

Le remplissage et le Bypass de l’eau des Accumulateurs 18

Les phénomènes importants pendant le remplissage q Décharge des accumulateurs très violente Fortes instabilités dues à la condensation. Oscillations Bouchons d’eau en BF possibles La présence d’azote limite la violence de la condensation. q l’eau arrive dans l’espace annulaire Fort débit ascendant de vapeur bypass: contournement du cœur vers la brèche Dépressuriastion la brèche aspire Remplissage à contre-courant du fond de cuve L’eau descend dans la partie opposée à la BF rompue Et pendant ce temps… Echauffement quasi-adiabatique du cœur 19

Le remplissage et le Bypass de l’eau des Accumulateurs 20

Le Renoyage 21

Effets système en Renoyage • Le DP frottement de la vapeur = Écart niveaux tassés cœur-downcomer • Entrainement de gouttes aux GV = Frottement accru sans refroidissement 1ère phase : renoyage oscillant L’eau entre dans le cœur remouillage parties froides Forte vaporisation Surpression locale Chasse d’une partie d’eau dans le Plenum Supérieur et l’autre partie réexpulsée dans le downcomer. 22

Le Renoyage Ø Zone renoyée (amont du FT) en ébullition nucléé et écoulements à bulles ou churn ou. annulaire. Ø Zone du front de trempe (FT) et du proche aval FT: fort déstockage d'énergie nombreuses gouttes entraînées impactant les crayons ( chocs secs) et contribuant au pré-refroidissement. Ø Zone sèche (aval du FT) Tgaine élevée • Xth <0 au FT: écoulement annulaire inversé ou à poches inversé avec ébullition en film • Xth >0 au FT : écoulement à gouttes 23 Très fort impact des grilles sur la taille des gouttes et sur les échanges

Scenario d’une petite brèche Pression primaire < 129. 5 bars ==> Arrêt d'urgence o Chute des barres de contrôle o Arrêt de l'alimentation des pompes primaires o Isolement des GVs : fermeture de l’admission turbine et de l’alimentation, l’ ASG démarrera 60 s plus tard q Pression 1 aire < 117. 5 bars ==> Signal IS o Les pompes ISHP démarrent (puis ISBP). Un retard de 30 s est à prendre en compte si il y a eu aussi perte des alimentations électriques (démarrage de diesels de secours) q Pression 1 aire < 41 bars ==> Décharge accumulateurs Le scénario peut varier en fonction de la taille de la brèche et de sa localisation. Des actions opérateurs sont possibles suivant les situations mais nous allons considérer un cas où le réacteur évolue sous la seule action des automatismes. q 24

Scenario d’une petite brèche Primary pressure Secondary pressure Primary totmass P 1 < 129. 5 bars ==> ARRÊT d’URGENCE o Barres de contrôle insérées o Pompes primaires arrêtées o GVs’ isolés : admission turbine & eau alimentaire fermées, demarrage ASG (eau auxiliaire ) 60 s + tard P 1 < 117. 5 bars ==> Signal d’ Injection de Secours o démarrage pompes ISHP. Retard de 30 s en cas de perte alimentation éléctrique (démarrage diesels). P 1 < 41 Accumulateurs bars ==> Décharge 25

Les phénomènes et paramètres importants q L’AU survient très tôt : pas de pb de refroidissement du cœur dans le court terme ni avant l’AU, l’inertie des pompes assure un débit suffisant q Deux paramètres sont particulièrement importants pour le déroulement de l’accident: • l’inventaire en masse IM du circuit primaire • la pression 1 aire Pprim (agit sur l’activation des ISBP, ISHP, Accu) q L’ IM dépend de la compétition entre fuite et IS: • L’IS peut compenser les plus petites fuites ou brèches. • Brèches plus importantes: l’IM décroît et est f° de Pprim. 26

La pression primaire Bilan d’énergie du circuit primaire q q Hyp 1: liquide et vapeur sont à la saturation Hyp 2: Effets des IS et des échanges avec les parois externes négligées 27

Effet d’une brèche sur Pprim Une brèche met un fluide fortement pressurisée à la pression basse de l’enceinte. Le débit est fort mais limité par le « blocage sonique » et on parle de « débit critique » . Effet de la localisation de la brèche: • Une brèche en liquide perd un fort débit masse et un faible débit volume • Une brèche en vapeur perd un fort débit volume et un faible débit masse Les brèches dans les parties hautes ou chaudes du circuit sont moins graves que les brèches en parties basses ou froides. 28

Le plateau de pression primaire q Stabilisation temporaire de Pprim un peu au-dessus de Psec tant que la brèche évacue moins de volume que n’en crée le cœur. q Le surplus doit alors s’évacuer aux GVs ce qui nécessite que T°prim > T°sec donc Pprim > Psec q Psec après isolement des GV est en général quasi-constante et bornée par la pression de tarage des soupapes. q Puis Ccoeur diminue et Cbreche augmente jusqu’à : Cco < Cbr Pprim quitte alors le plateau et rechute les échanges inverse aux GV n’apportent que très peu d’énergie au circuit primaire. q Parfois les opérateurs dépressurisent le circuit secondaire pour dépressuriser et refroidir le primaire, ce qui n’est utile -et possibleque lorsque Cco>Cbr. 29

Evolution de la pression primaire stabilisation de P 1 au dessus de P 2 tant que la brèche evacue moins de volume que le coeur n’en crée the core. W généré ds coeur décroit and Cbreak croit (+ de vapeur à la brèche) tq : Ccore < Cbreak P 1 quitte le plateau and decroit P 2 quand SGs isolés, reste quasi constante and limitée à la pression de tarage des soupapes 30

Les débits critiques Débit critique ou bloqué en écoult 1 -phase 31

Les débits critiques diphasiques c d'autant plus grande que l’inertie du fluide petite et que la raideur à la compressibilité est forte. • mélange diphasique = alternance de liquide (forte inertie) et de gaz (raideur faible) • + compressibilité apparente supplémentaire: flashing Vcol = c Ex: à 20°C, 1 atm • air: c = 330 m/s • Eau c = 1500 m/s • eau-air ( = 0. 5) c 25 m/s 32

Les débits critiques diphasiques Ø dépressurisation violente forte vaporisation Xvap(col) >>0 . Ø conditions amont 1 -phase liquide sous-refroidi, débit modéré par faible Cson diphasique Ø conditions amont 1 -phase vapeur, débit modéré par faible densité Essais SUPER MOBY DICK de débit critique en tuyère longue 33

Essais SUPER MOBY DICK 34

Les phénomènes et paramètres importants q Après l’arrêt des pompes la circulation du fluide dans le circuit primaire est régie par les phénomènes gravitaires. q A mesure que IM décroit trois régimes d’évacuation de la puissance résiduelle Wr: Ø Circulation naturelle (thermo-siphon) 1 -phase (0. 95 < IM < 1) Ø Circulation naturelle diphasique (0. 5 < Im < 0, 95) Ø Caloduc (reflux condenser) q. Un découvrement du cœur peut survenir. Sa durée doit être rester limitée. 2 phénomènes peuvent l’influencer : Ø L’engorgement (ou CCFL) qui retient de l’eau hors du cœur Ø Le bouchage et débouchage des branches intermédiaires 35

La Circulation naturelle Est générée par les différences de densité entre les parties chaudes montantes et les parties froides descendantes 36

Le régime Caloduc La vapeur générée dans le cœur se condense dans les GV fin de la CN tassement de l’eau dans la cuve et les BI 2 bouchons isolent BC et BF chute de P plus rapide dans BF (condensation aux IS et/ou brèche en BF) 37

BOUCHAGE ET DEBOUCHAGE DES BRANCHES INTERMEDIAIRES L’eau du cœur et partie montante des BI se met en équilibre thermique avec le secondaire L’eau du downcomer et partie montante des BI voit sa P diminuer sous l'effet d'une brèche et/ou des IS Niveau downcomer Niveau Cœur 38

Le phénomène d’engorgement et/ou de limitation des écoulements a contre-courant (ou flooding et CCFL Counter Current Flow Limitation) Qlinj Qbyp Qlinj Qld Qlinj Qv Qv Qv q Qv faible, Qld = Qinj q A partir d'un Qg limite, instabilités d'interface Qld < Qlinj q A mesure que Qg augmente, Qld diminue jusqu'au Point d'engorgement total Qv 39

L’engorgement dans les REPs L'engorgement se rencontre dans les REPs en 3 endroits: q la plaque supérieure de cœur q le coude de la branche chaude ou l'entrée des boites à eau chaudes GV q l'entrée des tubes GV 40

EXEMPLE D’UNE BRECHE 10 POUCES EN BRANCHE FROIDE Boucle Système LSTF JAERI Japon 41

Scenario – Phenomenes essentiels Hypothèses: • Défaillance ISHP • Accumulateurs OK • A t= 120 s surchauffe importante du cœur oblige à couper Wcoeur Les phénomènes essentiels sont : • De 0 à 20 s : chute brutale de Pprim jusqu’à plateau à 8 Mpa • De 20 s à 60 s : circulation naturelle et plateau de pression • De 60 s à 80 s : bouchage et débouchage des branches intermédiaires découvrement total du cœur • 80 s : vidange des BI : le niveau remonte dans le cœur ; découvrement partiel; la brèche passe en vapeur; redémarrage de la chute de pression • 120 s : le cœur (électrique) a du être éteint • 180 s : déclenchement des accumulateurs 42

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