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

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

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

3 3 Le REP 900 MWe

4 4 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: APRP-GB Brèches de taille plus petite situées en : branche froide, branche chaude, branche intermédiaire, fond de cuve, pressuriseur,... Ruptures de tubes de générateurs de vapeur: RTGV Rupture dune ligne vapeur: RTV Rupture dune tuyauterie dalimentation Perte deau alimentaire aux GVs Perte totale dalimentation électrique Perte du réseau de refroidissement à larrêt Ces accidents peuvent être étudiés en y associant des défaillances secondaires de certains systèmes.

5 5 Le REP et ses IS Les brèches envisagées

6 6 lAPRP Grosse Brèche = plus grosse brèche retenue pour le circuit primaire = base du dimensionnement dorganes de sûreté des REPs notamment des injections de secours Warning: rupture guillotine à débattement partiel plus graves quun débattement complet = rupture totale (guillotine) dune branche froide doublement débattue

7 7 Le REP et la Grosse Breche Rupture Guillotine

8 8 Hypothèses de lAPRP-GB GB_2mn40.mpg GB_2mn40.mpg Pini = 102% PN Facteur de point chaud > à 2,3 Pcoeur chute dès l'apparition de vapeur (ANS + 20% ou SERMA +10%) Perte des alimentations électriques externes Arrêt des pompes primaires rotors libres Alimentation des GVs stoppée et lignes vapeur isolées Signaux dAU et IS retardés de 131 à 129 et de 119 bars à 117 bars Démarrage des IS avec retard de 30 secondes Principe de défaillance unique: une seule file IS Accumulateur de la branche rompue totalement perdu Aspersion enceinte en service 27 secondes après le début de laccident ; les deux files fonctionnent normalement : minimise la pression enceinte.

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

10 10 Critères dacceptabilité · Critères définis en 1973 par lUS-NRC, pas modifiés depuis: Tgaine(max) < 1204°C soit 2000°F (éviter emballement réaction exothermique entre leau et le zirconium) Taux doxydation des gaines en tout point < 17% de lépaisseur ( éviter fragilisation des crayons combustibles au remouillage) Taux doxydation moyen des gaines < à 1% (pour limiter quantité dH2 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

11 11 Scénario de lAPRP-GB

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

13 13 Transfert de chaleur en convection forcée Convection = Conduction dans un milieu en déformation - convection naturelle si mouvement créé par - convection forcée si mouvement imposé par P Analyse dimensionnelle Recalage empirique (Ex: tube chauffant) V(r) p T(r) Tp Ex: P = 150 bars; TL = 300°C; F = 140 W/cm2; V = 4,5 m/s Nu = 717h = W/m2/KTp - TL = 42°C

14 14 Transfert de chaleur en ébullition nucléée Si Tp > Tsat(P) le fluide au contact de la paroi se vaporise des bulles se détachent de la paroi si le liquide est en moyenne sous saturé, les bulles se recondensent au sein de lécoulement. p T(r) Tl Tsat Tsat = h (Tp -Tsat) Processus encore plus efficace que la convection: la chaleur latente de vaporisation absorbe une grande quantité dénergie, les bulles ont une grande surface déchange et elles accroissent la turbulence dans le liquide. Flux de chaleur Chaleur latente flux vapeur Problème: Lorsquil 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. CaléfactionCrise débullitionFlux critique

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

16 16 Etat initial du crayon 900/1800 UO 2 H2OH2O H2OH2O T(°C) PN moy/max Arrêt chaud / / /600 Tf=2800 P l moy = 186 W/cm (420 W/cm max) Arrêt de la réaction neutronique Chute des échanges avec le fluide Aplatissement du profil de T° Montée Tgaine

17 17 Le comportement du crayon combustible 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° Aplatissement du profil de T° qui provoque une élévation de Tgaine fonction de lénergie stockée initialement Lénergie stockée dépend de: * conductivité de la pastille porosité dégagement des gaz de fission. * coefficient déchange dans le gap

18 18 Le remplissage et le Bypass de leau des Accumulateurs

19 19 Les phénomènes importants pendant le remplissage Décharge des accumulateurs très violente Fortes instabilités dues à la condensation. Oscillations Bouchons deau en BF possibles La présence dazote limite la violence de la condensation. leau arrive dans lespace 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 Leau descend dans la partie opposée à la BF rompue Echauffement quasi-adiabatique du cœur Et pendant ce temps…

20 20 Le remplissage et le Bypass de leau des Accumulateurs

21 21 Le Renoyage

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

23 23 Le Renoyage Zone renoyée (amont du FT) en ébullition nucléé et écoulements à bulles ou churn ou. annulaire. 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. 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 Très fort impact des grilles sur la taille des gouttes et sur les échanges

24 24 Scenario dune petite brèche Pression primaire 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 d é marrera 60s plus tard Pression 1 aire Signal IS o Les pompes ISHP d é marrent (puis ISBP). Un retard de 30s est à prendre en compte si il y a eu aussi perte des alimentations é lectriques (d é marrage de diesels de secours) Pression 1 aire D é charge accumulateurs Le sc é nario peut varier en fonction de la taille de la br è che et de sa localisation. Des actions op é rateurs sont possibles suivant les situations mais nous allons consid é rer un cas o ù le r é acteur é volue sous la seule action des automatismes.

25 25 Scenario dune petite brèche P1 ARRÊT dURGENCE o Barres de contrôle insérées o Pompes primaires arrêtées o GVs isolés : admission turbine & eau alimentaire fermées, demarrage ASG (eau auxiliaire ) 60 s + tard P1 Signal d Injection de Secours o démarrage pompes ISHP. Retard de 30s en cas de perte alimentation éléctrique (démarrage diesels). P1 Décharge Accumulateurs Primary pressure Secondary pressure Primary totmass

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

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

28 28 Effet dune brèche sur Pprim Une brèche met un fluide fortement pressurisée à la pression basse de lenceinte. 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.

29 29 Le plateau de pression primaire Stabilisation temporaire de Pprim un peu au-dessus de Psec tant que la brèche évacue moins de volume que nen crée le cœur. Le surplus doit alors sévacuer aux GVs ce qui nécessite que T°prim > T°sec donc Pprim > Psec Psec après isolement des GV est en général quasi-constante et bornée par la pression de tarage des soupapes. Puis Ccoeur diminue et Cbreche augmente jusquà : Cco < Cbr Pprim quitte alors le plateau et rechute les échanges inverse aux GV napportent que très peu dénergie au circuit primaire. Parfois les opérateurs dépressurisent le circuit secondaire pour dépressuriser et refroidir le primaire, ce qui nest utile -et possible- que lorsque Cco>Cbr.

30 30 Evolution de la pression primaire W généré ds coeur décroit and C break croit (+ de vapeur à la brèche) tq : C core < C break P1 quitte le plateau and decroit stabilisation de P1 au dessus de P2 tant que la brèche evacue moins de volume que le coeur nen crée the core. P2 quand SGs isolés, reste quasi constante and limitée à la pression de tarage des soupapes

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

32 32 Les débits critiques diphasiques c d'autant plus grande que linertie 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

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

34 34 Essais SUPER MOBY DICK

35 35 Les phénomènes et paramètres importants Après larrêt des pompes la circulation du fluide dans le circuit primaire est régie par les phénomènes gravitaires. A mesure que IM décroit trois régimes dévacuation de la puissance résiduelle Wr: Circulation naturelle (thermo-siphon) 1-phase (0.95 < IM < 1) Circulation naturelle diphasique (0.5 < Im < 0,95) Caloduc (reflux condenser) Un découvrement du cœur peut survenir. Sa durée doit être rester limitée. 2 phénomènes peuvent linfluencer : Lengorgement (ou CCFL) qui retient de leau hors du cœur Le bouchage et débouchage des branches intermédiaires

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

37 37 Le régime Caloduc La vapeur générée dans le cœur se condense dans les GV fin de la CN tassement de leau 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)

38 38 BOUCHAGE ET DEBOUCHAGE DES BRANCHES INTERMEDIAIRES Leau du cœur et partie montante des BI se met en équilibre thermique avec le secondaire Leau 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

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

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

41 41 EXEMPLE DUNE BRECHE 10 POUCES EN BRANCHE FROIDE Boucle Système LSTF JAERI Japon

42 42 Scenario – Phenomenes essentiels Hypothèses: Défaillance ISHP Accumulateurs OK A t= 120s surchauffe importante du cœur oblige à couper Wcoeur Les phénomènes essentiels sont : De 0 à 20 s : chute brutale de Pprim jusquà plateau à 8 Mpa De 20s à 60 s : circulation naturelle et plateau de pression De 60s 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

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