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26-30 Novembre 2007RENOYAGE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP Phénomènes thermohydrauliques dans le cœur dun REP dans la.

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1 26-30 Novembre 2007RENOYAGE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP Phénomènes thermohydrauliques dans le cœur dun REP dans la phase de renoyage B.NOEL CEA-DEN/DR/SSTH

2 26-30 Novembre 2007RENOYAGE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP 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 dun résistance thermique Effet bi-dimensionnel Conclusion

3 26-30 Novembre 2007RENOYAGE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP APRP GROSSE BRECHE Rupture Guillotine

4 26-30 Novembre 2007RENOYAGE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP APRP GROSSE BRECHE 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 dinjection (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

5 26-30 Novembre 2007RENOYAGE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE EVOLUTION TG et PRESSION 1 er pic 2 ème pic

6 26-30 Novembre 2007RENOYAGE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP APRP GROSSE BRECHE DECOMPRESSION 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 débullition (t<1s) refroidissement des crayons par le régime débullition 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

7 26-30 Novembre 2007RENOYAGE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP APRP GROSSE BRECHE REMPLISSAGE : PHENOMENES IMPORTANTS décharge accumulateurs violente fortes instabilitées dues à la condensation ( T sub 200 °C) eau arrive dans lespace annulaire eau bypassée à la brèche situation dengorgement avec condensation dans lespace annulaire (downcomer) : courant ascendant de vapeur contrarie la descente de leau 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 s Montée quasi-adiabatique des températures gaine

8 26-30 Novembre 2007RENOYAGE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP APRP GROSSE BRECHE REMPLISSAGE

9 26-30 Novembre 2007RENOYAGE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP APRP GROSSE BRECHE RENOYAGE ISBP prend le relais des accumulateurs Phase initiale : oscillations gravitaires entre cœur et downcomer grande masse deau arrivant dans le cœur chaud forte vaporisation surpression locale une partie de leau chassée vers le plenum supérieur et lautre 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 dun front de trempe (quelques cm/s) favorisée par une conduction axiale dans la gaine TG croissent, atteignent un 3éme pic, décroissent à lapproche 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 leau du plenum supérieur

10 26-30 Novembre 2007RENOYAGE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE

11 26-30 Novembre 2007RENOYAGE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE: Echanges thermiques Ébullition nucléée A Tp-Tsat (°C) Tsat B q (W/m²) C D E (Tmax) F Convection Ébullition en film transition TBOTMFS

12 26-30 Novembre 2007RENOYAGE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE: Echanges thermiques Zone renoyée (amont du front de trempe) Régime débullition nucléée écoulements à bulles ou agités; si alfa élevé régime découlement 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 dénergie 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 dun flux spécifique au voisinage du FT qui représente laugmentation du flux échangé du à la perturbation de lécoulement par le FT Zone sèche (en aval du front de trempe) Différentes configurations découlement fonction de alfa et de la sous- saturation au niveau du FT : X TH <0, écoulement annulaire inversé avec ébullition en film (IAFB) ou écoulement à poches inversé avec film vapeur (phase initiale) X TH >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 linterface : (qvi et qil) Rayonnement entre crayons et liquide

13 26-30 Novembre 2007RENOYAGE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE

14 26-30 Novembre 2007RENOYAGE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE qvi qli qpv

15 26-30 Novembre 2007RENOYAGE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP 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 deffet 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 )*qvi ia + gh *qvi of avec gh ( ), facteur de distribution entre lécoulement 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- Z FT / Z 0 )]*(TW-TS) –Essais ERSEC, PERICLES

16 26-30 Novembre 2007RENOYAGE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP 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

17 26-30 Novembre 2007RENOYAGE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE : MODELES CATHARE au voisinage du Front de trempe (suite..) Équation de conduction avec le référentiel mobile: équation de bilan de lénergie ( CpT) Conditions limites au niveau de la paroi 2D Pas déchanges d énergie avec lextérieur En bas, pas de conduction axiale En haut, flux cinétique pris en compte avec le fluide : couplage avec le fluide par le flux φ W φ W = φ 1 + V b, l C Δ T b,l / Δ Z avec φ 1 =h 1 (T w -T sat ), flux convectif φ 2 = V b, l C T b,l / Δ Z = K 2 (P,G,X) T W / Δ Z, flux transporté par la couche limite Q b,l = ε V bl, débit liquide dans la couche limite T b,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

18 26-30 Novembre 2007RENOYAGE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP 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 lébullition en film à lébullition en écoulement dispersé φ TB = *q CHF + (1- )*q FB (T MFS ) avec φ TB /q FB =[(TW-Tsat)]/(TBO-Tsat)] n n, corrélation de Johansen q CHF, corrélation de Zuber En aval du FT: échange vapeur sèche RENOYAGE : renoyage par le haut

19 26-30 Novembre 2007RENOYAGE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP BETHSY 6.7C: phénomènes en renoyage Génération vapeur dans le cœur Formation gouttes Dépôt / entraînement gouttes Vaporisation Condensation Eclt co- et contre-courant liquide cont. / gouttes Remplissage Renoyage Steam binding

20 26-30 Novembre 2007RENOYAGE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP Exemple de calculs BETHSY

21 26-30 Novembre 2007RENOYAGE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP ASPECTS COMPLEMENTAIRES EFFET des grilles de maintien Mise en évidence à partir dexpérience analytique Effets locaux : Grille sèche h(grille vapeur) car Tv Vaporisation gouttelettes sur bord dattaque de la grille Tv h(liq vapeur) car u Tv (accélération partielle due à linertie des gouttes) Aire interfaciale Tv (bris des gouttes sur la grille et dans le fluide) Effet dailette Tc Effets lcaux : Grille mouillée h(grille vapeur) car Tv Aire interfaciale Tv (passage dune configuration gouttelette à une configuration gouttelette + film) h(liq vapeur) car u Tv Effet dailette Tc

22 26-30 Novembre 2007RENOYAGE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP ASPECTS COMPLEMENTAIRES grilles de maintien (suite…) Effets en aval : Grilles pertubent létat de lécoulement 2 localement effet en aval ailettes : turbulence à lentrée 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 laval : lié en particulier à leffet sur la thermique

23 26-30 Novembre 2007RENOYAGE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP ASPECTS COMPLEMENTAIRES grilles de maintien (suite…)

24 26-30 Novembre 2007RENOYAGE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP ASPECTS COMPLEMENTAIRES EFFET des tubes guides Mise en évidence à partir dexpériences analytiques avec et sans tubes guides TPm t(Trempe) Description Effet de paroi froide rayonnement Drainage possible de leau dé-entrainée Importance de la température initiale des tubes guides Potentiellement générateurs de non uniformités radiales dans la grappe (cross-flow)

25 26-30 Novembre 2007RENOYAGE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP ASPECTS COMPLEMENTAIRES effet des oscillations de débit Mise en évidence à partir dexpériences 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 leffet système (steam binding) Résultats : Pas doscillations 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 lexpulsion de liquide en dehors de la SE pour les fortes oscillations Effet de lamplitude: refroidissement des crayons dautant 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 quavec 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 deffet sur Vft

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

27 26-30 Novembre 2007RENOYAGE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP ASPECTS COMPLEMENTAIRES effet de la résistance thermique du jeu Mise en évidence à partir dexpériences 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 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 disolant FT monte plus vite à Qosc, absence dexpulsion de liquide et forte vaporisation réduction importante du FT et de TPmax Sans gap: effets précédents accentués

28 26-30 Novembre 2007RENOYAGE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP ASPECTS COMPLEMENTAIRES effet de la résistance thermique du jeu

29 26-30 Novembre 2007RENOYAGE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP ASPECTS COMPLEMENTAIRES EFFETS bidimensionnels Mise en évidence à partir dexpériences 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 lassemblage chaud : F XY =1, et 1.85 Profil axial de puissance

30 26-30 Novembre 2007RENOYAGE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE : PERICLES 2D EFFETS bidimensionnels observés En dessous du FT, « cross flows » mélange presque parfait entre assemblage limite les inhomogénéités Progression du FT dans lassemblage chaud accélérée par : le refroidissement du aux « cross flows en amont du FT eau déversé en aval du FT de lAss. Chaud du au FT plus avancé dans Ass. froid TPmax limité du à lentrainement deau plus important dans lassemblage chaud dé-entrainement de leau dans le plenum supérieur

31 26-30 Novembre 2007RENOYAGE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP RENOYAGE : PERICLES 2D

32 26-30 Novembre 2007RENOYAGE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP CONCLUSION Connaissance des phénomènes en renoyage Identifiés et pris en compte dans les outils de calcul Validation large sur une large gamme dessais 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 dempirisme –extrapolation en dehors du domaine qualifié hasardeuse –un nouveau réacteur, un nouvelle géométrie un nouveau type dinjection 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 dapplication vers –les températures élevées supérieures à 1200 °C –pour des géométries partiellement (gonflements) ou totalement (lit de débris) dégradés


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