Phénomènes thermohydrauliques dans le cœur d’un REP durant la phase

Phénomènes thermohydrauliques dans le cœur d’un REP durant la phase de renoyage B.NOEL CEA-DEN/DER/SSTH INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 1 7-11 Décembre 2009

PLAN Accidents « Grosse brèche » Rappel Scénario Renoyage Phénomènes observés Ecoulements et échanges thermiques en renoyage Modélisation dans CATHARE Exemple de calculs CATHARE: Essai BETHSY 6.7C Modéles à 2 champs Modèles à 3 champs Aspects complémentaires 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 2 7-11 Décembre 2009

Rupture Guillotine APRP GROSSE BRECHE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 3 7-11 Décembre 2009

APRP GROSSE BRECHE Rappel SCENARIO 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 1er Tgaine et masse minimum CP REMPLISSAGE Montée quasi-adiabatique des températures gaine 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 INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 4 7-11 Décembre 2009

RENOYAGE EVOLUTION TG et PRESSION 2ème pic 1er pic INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 5 7-11 Décembre 2009

Phénomènes durant le RENOYAGE ISBP prend le relais des accumulateurs Phase initiale : oscillations gravitaires entre cœur et downcomer DPfrot Ntascoeur- Ntasdown 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 INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 6 7-11 Décembre 2009

Phénomènes durant le RENOYAGE 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 INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 7 7-11 Décembre 2009

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 INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 8 7-11 Décembre 2009

RENOYAGE: Echanges thermiques 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) Z Tg Tv Tp FT Tsat INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 9 T 7-11 Décembre 2009

RENOYAGE: Echanges thermiques Transferts de chaleur couplés aux phénomènes hydrodynamiques des gouttes Échanges entre les crayons et la vapeur : échanges convectifs(qpv) Échanges entre vapeur et gouttes à travers l’interface : (qvi et qli) Rayonnement entre crayons et liquide gouttes rayonnement qli convection évaporation qvi crayons rayonnement convection qpv INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 10 vapeur 7-11 Décembre 2009

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 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 INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 11 7-11 Décembre 2009

RENOYAGE : MODELES CATHARE 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 INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 12 7-11 Décembre 2009

RENOYAGE : MODELES CATHARE au 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 INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 13 7-11 Décembre 2009

RENOYAGE : MODELES CATHARE au 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,lC Tb,l/ΔZ K2(P,G,X) TW/ΔZ, flux transporté par la couche limite INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP Qb,l ε Vbl, 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 RENOYAGE 14 7-11 Décembre 2009

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 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 dispersé φTB *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 INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 15 7-11 Décembre 2009

Calculs CATHARE : essai BETHSY 6.7c Vérification sur essais BETHSY Simulation d’un REP (900MW) à l’échelle 1/100ème Analyse effets système en renoyage Calculs CATHARE actuels : CATHARE 2 modèles à deux phases: liquide, vapeur Résultats: – Bonne prédiction des phénomènes en renoyage – Incertitude sur le Pic de température gaine: 200 C Calculs CATHARE futurs: CATHARE 3 Modèles en cours de développements – multi-champs (3) : 2 champs pour le liquide (9 équations) – Lois de fermetures supplémentaires: » Entrainement de gouttelettes : SEROPS » Déposition des gouttelettes : corrélation Hewitt et Govan Calculs BETHSY avec modèle à 3 champs INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 16 7-11 Décembre 2009

BETHSY 6.7C: phénomènes en renoyage Steam binding Dépôt / entraînement gouttes Vaporisation Eclt co- et contre-courant liquide cont. / gouttes Formation gouttes Génération vapeur dans le cœur Pdown / coeur coeur Pdestockee L Qvapeur Pdown / coeur Condensation Remplissage 2 k coeur GV Qvapeur Qgouttes PPLS 2 v Renoyage INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 17 7-11 Décembre 2009

Oscillations au cours du renoyage Décroissance du ΔP moyen d’un ½ amplitude Delayed Vaporization peak in SG CCFL allows flow reversal when Qv low L’eau injectée (ECC) perdue à la brèche à chaque oscillation Pic de vaporisation dans le coeur lors de l’entrée d’eau Pic de création de gouttelettes dans le cœur lors de l’entrée d’eau Droplet creation Peak of Vaporization in core when Ql 0 INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP Pic de vaporisation retardé dans SG dépendant du temps de transit des gouttes entre le cœur et le SG qui conduit soi à des oscillations amorties ou à des oscillations excitées Possibilité d’un écoulement liquide inverse en sortie coeur quand débit vapeur est faible (Ql 0) renoyage par le haut RENOYAGE 18 7-11 Décembre 2009

Apport de la modélisation à 3 champs meilleure prédiction de l’écoulement en sortie coeur avec contre-courant de gouttes et du film liquide : renoyage par le haut meilleure prédiction de l’entrainement et déentrainement des gouttes dans le PLS et les HL : steam binding Meilleur prédiction du temps de transit des gouttes du coeur vers le SG et améliorations de l’amortissement des oscillations Delayed Vaporization peak in SG CCFL allows flow reversal when Qv low Droplet creation Peak of Vaporization in core when Ql 0 INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 19 7-11 Décembre 2009

BETHSY: résultats CATHARE 2 INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 20 7-11 Décembre 2009

BETHSY: résultats CATHARE 3 INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 21 7-11 Décembre 2009

BETHSY: résultats CATHARE 3 vitesses en sortie cœur INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 22 7-11 Décembre 2009

ASPECTS COMPLEMENTAIRES EFFET des grilles de maintien Mise en évidence à partir d’expérience analytique Effets locaux : Grille sèche h(grille vapeur) car Tv Vaporisation gouttelettes sur bord d’attaque de la grille Tv h(liq vapeur) 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(grille vapeur) car Tv Aire interfaciale Tv (passage d’une configuration gouttelette à une configuration gouttelette film) h(liq vapeur) car u Tv Effet d’ailette Tc INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 23 7-11 Décembre 2009

ASPECTS COMPLEMENTAIRES grilles 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 INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 24 7-11 Décembre 2009

ASPECTS COMPLEMENTAIRES grilles de maintien (suite ) INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 25 7-11 Décembre 2009

ASPECTS COMPLEMENTAIRES EFFET 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) INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 26 7-11 Décembre 2009

ASPECTS COMPLEMENTAIRES effet des oscillations de débit Mise en évidence à partir d’expériences analytiques Résultats : 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 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 INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 27 7-11 Décembre 2009

ASPECTS COMPLEMENTAIRES effet des oscillations de débit INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 28 7-11 Décembre 2009

ASPECTS COMPLEMENTAIRES effet 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 50 m rempli de gaz (argon ou hélium) Principaux enseignements Effet type de crayons Propriétés du gaz: évolution du gaz en fonction du burn-up 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 29 7-11 Décembre 2009

ASPECTS COMPLEMENTAIRES effet de la résistance thermique du jeu INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 30 7-11 Décembre 2009

ASPECTS COMPLEMENTAIRES EFFETS 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 : F XY 1, 1.435 et 1.85 Profil axial de puissance INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 31 7-11 Décembre 2009

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 INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 32 7-11 Décembre 2009

RENOYAGE : PERICLES 2D INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 33 7-11 Décembre 2009

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 Modélisation plus fine: 3 champs (CATHARE 3) 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 INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE 34 7-11 Décembre 2009