Phnomnes thermohydrauliques dans le cur dun REP dans

Phénomènes thermohydrauliques dans le cœur d’un REP dans la phase de renoyage B. NOEL CEA-DEN/DR/SSTH INSTN : écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 26 -30 Novembre 2007

• PLAN Accidents « Grosse brèche » n n Scénario Thermohydraulique du cœur u u • u Renoyage n Ecoulements et échanges thermiques en renoyage u u u n Amont font de trempe Aval font de trempe Au voisinage front de trempe Aspects complémentaires u u u • Phase de décompression Phase de remplissage Phase de renoyage u Effets des grilles de maintien Effet du débit oscillant Effet d’un résistance thermique Effet bi-dimensionnel Conclusion INSTN : écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 26 -30 Novembre 2007

Rupture Guillotine APRP GROSSE BRECHE INSTN : écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 26 -30 Novembre 2007

APRP GROSSE BRECHE SCENARIO • DECOMPRESSION: PRESSION : 155 bar 4 bar (25 s) n n 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 u • u REMPLISSAGE n • CP majoritairement en vapeur (en particulier cœur) Fond de cuve, plenum supérieur zones d’injection (BF) en eau n t~30 s: Démarrage de l’ ISHP t~40 s : recouvrement du bas du coeur RENOYAGE : 40 s à 250 s n n Vitesse du front de trempe faible : quelques cm/s Température gaine maximum INSTN : écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 26 -30 Novembre 2007

RENOYAGE n EVOLUTION TG et PRESSION 2ème pic 1 er pic INSTN : écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 26 -30 Novembre 2007

APRP GROSSE BRECHE DECOMPRESSION • Phénomènes : 150 bar 70 bar n n n dépressurisation très rapide (5 à 50 ms) : 70 bar débit à la brèche critique : côté cuve (25à 28 t/s) et côté pompe (12 à 15 t/s) ébullition dans le cœur et crise d’ébullition (t<1 s) u n dégradation des échanges thermiques u n point de stagnation dans le cœur (5 s) 1 er pic Tgaine P primaire < P secondaire (5 s – 10 s)) u n refroidissement des crayons par le régime d’ébullition en film ( peu efficace) Point stagnation dans GV ( point chaud) inversion débit dans le cœur refroidissement TG déclenchement accumulateur vers 12 s : P=42 bar u u Début phase de remplissage Masse minimum au CP : cœur en vapeur INSTN : écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 26 -30 Novembre 2007

APRP GROSSE BRECHE REMPLISSAGE : PHENOMENES IMPORTANTS • • décharge accumulateurs violente n fortes instabilitées dues à la condensation ( Tsub 200 °C) eau arrive dans l’espace annulaire eau bypassée à la brèche n situation d’engorgement avec condensation dans l’espace annulaire (downcomer) : courant ascendant de vapeur contrarie la descente de l’eau des accumulateurs n Vidange du fond de cuve par arrachement mécanique et vaporisation n diminution débit et pression liquide descend vers le fond de cuve n déstockage structure qui ralentit la descente du liquide vers fond de cuve n recouvrement bas du cœur vers 30 -35 s Montée quasi-adiabatique des températures gaine n INSTN : écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 26 -30 Novembre 2007

APRP GROSSE BRECHE REMPLISSAGE INSTN : écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 26 -30 Novembre 2007

APRP GROSSE BRECHE RENOYAGE n n ISBP prend le relais des accumulateurs Phase initiale : oscillations gravitaires entre cœur et downcomer u u u n Phase finale: renoyage gravitaire u u u n 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~3 s) ; rééquilibrage manométrique entre cœur et downcomer Baisse de températures gaine 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 u Films liquides sur les crayons alimentés par l’eau du plenum supérieur INSTN : écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 26 -30 Novembre 2007

RENOYAGE INSTN : écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 26 -30 Novembre 2007

transition E (Tmax) C B D F A Tsat TBO INSTN : écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP TMFS RENOYAGE Ébullition en film Ébullition nucléée Convection q’’ (W/m²) RENOYAGE: Echanges thermiques Tp-Tsat (°C) 26 -30 Novembre 2007

• RENOYAGE: Echanges thermiques Zone renoyée (amont du front de trempe) n • n Zone du front de trempe (FT) et proche aval FT n n n • Régime d’ébullition nucléée écoulements à bulles ou agités; si alfa élevé régime d’écoulement annulaire 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) n Différentes configurations d’écoulement fonction de alfa et de la soussaturation au niveau du FT : u u n 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 u u u 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 INSTN : écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 26 -30 Novembre 2007

RENOYAGE INSTN : écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 26 -30 Novembre 2007

RENOYAGE qli qvi qpv INSTN : écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 26 -30 Novembre 2007

• RENOYAGE : MODELES CATHARE Zone renoyée (amont front de trempe) n n • Echange convectif (forcé ou naturel) Ébullition nucléée : corrélation de THOM modifiée (facteur correctif en alfa) En aval du front de trempe n n n 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 u Echange liquide-interface : qli en écoulement à gouttes modifié u Échanges en paroi : convection + ébullition en film u – 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 • u Rayonnement: vapeur, liquide tiré d’ expériences analytiques En aval immédiat du FT n 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/ Z 0)]*(TW-TS) – Essais ERSEC, PERICLES INSTN : écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 26 -30 Novembre 2007

• • RENOYAGE : MODELES CATHARE au voisinage du Front de trempe FT gouverné par la conduction axiale et radiale Conduction 2 D dans le crayon dont le maillage glisse le long de la paroi avec le front de trempe à VQF INSTN : écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 26 -30 Novembre 2007

RENOYAGE : MODELES CATHARE au voisinage du Front de trempe (suite. . ) • Équation de conduction avec le référentiel mobile: n • équation de bilan de l’énergie ( Cp. T) Conditions limites au niveau de la paroi 2 D n n 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, l. C ΔTb, l/ΔZ avec φ1=h 1(Tw-Tsat), flux convectif φ2= Vb, l. C Tb, l/ΔZ = K 2(P, G, X) TW/ΔZ, flux transporté par la couche limite u u u n Qb, l =ε Vbl, débit liquide dans la couche limite Tb, l: variation de la température moyenne dans la couche limite K 2(P, G, X), corrélations tirées de PERICLES, ERSEC Équation de localisation du FT: Tw(ZQF) = TBO INSTN : écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 26 -30 Novembre 2007

• • • RENOYAGE : renoyage par le haut en amont du FT: échange en ébullition nucléée dans le film liquide descendant au FT: conduction axiale due au fort gradient d. TP/dz au voisinage du FT: région de transition en ébullition en film Ébullition violente et désintégration du film liquide n Jet de gouttes pulvérisés du film liquide n Passage de l’ébullition en film à l’ébullition en écoulement dispersé φTB= *q. CHF + (1 - )*q. FB(TMFS) avec φTB/q. FB=[(TW-Tsat)]/(TBO-Tsat)]n n, corrélation de Johansen q. CHF, corrélation de Zuber n • En aval du FT: échange vapeur sèche INSTN : écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 26 -30 Novembre 2007

BETHSY 6. 7 C: phénomènes en renoyage Steam binding Dépôt / entraînement gouttes Vaporisation Eclt co- et contre-courant liquide cont. / gouttes Formation gouttes Condensation Génération vapeur dans le cœur Remplissage Renoyage INSTN : écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 26 -30 Novembre 2007

Exemple de calculs BETHSY INSTN : écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 26 -30 Novembre 2007

• ASPECTS COMPLEMENTAIRES EFFET des grilles de maintien n n Mise en évidence à partir d’expérience analytique Effets locaux : Grille sèche h(grille vapeur) car Tv u Vaporisation gouttelettes sur bord d’attaque de la grille Tv u h(liq vapeur) car u Tv (accélération partielle due à l’inertie des gouttes) u Aire interfaciale Tv (bris des gouttes sur la grille et dans le fluide) Effet d’ailette Tc u n Effets lcaux : Grille mouillée h(grille vapeur) car Tv u Aire interfaciale Tv (passage d’une configuration gouttelette à une configuration gouttelette + film) u h(liq vapeur) car u Tv u Effet d’ailette Tc u INSTN : écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 26 -30 Novembre 2007

ASPECTS COMPLEMENTAIRES grilles de maintien (suite…) n Effets en aval : Grilles pertubent l’état de l’écoulement 2 localement effet en aval u ailettes : turbulence à l’entrée de la zone aval u Effets différents selon que la grille est sèche ou mouillée ( GS < Gm) u n Effets sur la progression du front de trempe u u Effet local : UFT car Tc + faible au niveau de la grille Effet à l’aval : lié en particulier à l’effet sur la thermique INSTN : écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 26 -30 Novembre 2007

ASPECTS COMPLEMENTAIRES grilles de maintien (suite…) INSTN : écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 26 -30 Novembre 2007

ASPECTS COMPLEMENTAIRES EFFET des tubes guides • Mise en évidence à partir d’expériences analytiques n • n avec et sans tubes guides TPm t(Trempe) Description n Effet de paroi froide u u rayonnement Drainage possible de l’eau dé-entrainée Importance de la température initiale des tubes guides u Potentiellement générateurs de non uniformités radiales dans la grappe (cross-flow) INSTN : écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 26 -30 Novembre 2007

• ASPECTS COMPLEMENTAIRES effet des oscillations de débit Mise en évidence à partir d’expériences analytiques n n • n Résultats : n n • 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) 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 n n 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: u u n n 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 u u 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 INSTN : écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 26 -30 Novembre 2007

ASPECTS COMPLEMENTAIRES effet des oscillations de débit INSTN : écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 26 -30 Novembre 2007

• ASPECTS COMPLEMENTAIRES effet de la résistance thermique du jeu Mise en évidence à partir d’expériences analytiques n ROSCO : 1 assemblage de 4*4 crayons (h=3. 656 m dext=9; 5 mm pas 12. mm 8 grilles) u u • 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 50 m rempli de gaz (argon ou hélium) Principaux enseignements n Effet type de crayons u u n Propriétés du gaz: évolution du gaz en fonction du burn-up u u n Renoyage plus rapide en type réaliste TPmax plus grand : ( Cp)real=0. 78 ( Cp)CON 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 INSTN : écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 26 -30 Novembre 2007

ASPECTS COMPLEMENTAIRES effet de la résistance thermique du jeu INSTN : écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 26 -30 Novembre 2007

ASPECTS COMPLEMENTAIRES EFFETS bidimensionnels • Mise en évidence à partir d’expériences analytiques n PERICLES 2 D : 3 assemblages rectangulaires de 7*17 crayons (h=3. 656 m, dext=9. 5 mm, pas=12. mm) u u Profil radial de puissance: 2 assemblages froid entourant l’assemblage chaud : FXY =1, 1. 435 et 1. 85 Profil axial de puissance INSTN : écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 26 -30 Novembre 2007

RENOYAGE : PERICLES 2 D • EFFETS bidimensionnels observés n n En dessous du FT, « cross flows » mélange presque parfait entre assemblage limite les inhomogénéités Progression du FT dans l’assemblage chaud accélérée par : u u n n 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 INSTN : écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 26 -30 Novembre 2007

RENOYAGE : PERICLES 2 D INSTN : écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 26 -30 Novembre 2007

CONCLUSION • Connaissance des phénomènes en renoyage n Identifiés et pris en compte dans les outils de calcul u u n 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 u 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 u n 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 u Étendre le domaine d’application vers – les températures élevées supérieures à 1200 °C – pour des géométries partiellement (gonflements) ou totalement (lit de débris) dégradés INSTN : écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 26 -30 Novembre 2007