Phénomènes thermohydrauliques dans le cœur d’un REP durant la phase de renoyage B.NOEL

1. Phénomènes thermohydrauliques dans le cœur d’un REP durant la phase de renoyage B.NOEL CEA-DEN/DER/SSTH

2. 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

3. Rupture Guillotine APRPGROSSE BRECHE

4. APRPGROSSE BRECHERappel 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

5. RENOYAGE • EVOLUTION TG et PRESSION 2ème pic 1er pic

6. 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

7. 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

8. 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

9. 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)

10. qli qvi qpv 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

11. 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

12. 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

13. RENOYAGE : MODELES CATHAREau 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

14. RENOYAGE : MODELES CATHAREau 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,lCΔTb,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 • 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

15. 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

16. 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

17. Steam binding Dépôt / entraînement gouttes Vaporisation Eclt co- et contre-courant liquide cont. / gouttes Formation gouttes Condensation Génération vapeur dans le cœur Remplissage Renoyage BETHSY 6.7C: phénomènes en renoyage

18. Delayed Vaporization peak in SG CCFL allows flow reversal when Qv low Droplet creation Peak of Vaporization in core when Ql>0 Oscillations au cours du renoyage Décroissance du ΔP moyen d’un ½ amplitude 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 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

19. Delayed Vaporization peak in SG CCFL allows flow reversal when Qv low Droplet creation Peak of Vaporization in core when Ql>0 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 lehaut meilleure prédiction de l’entrainement et dé-entrainement 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

20. BETHSY: résultats CATHARE 2

21. BETHSY: résultats CATHARE 3

22. BETHSY: résultats CATHARE 3 vitesses en sortie cœur

23. 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 

24. ASPECTS COMPLEMENTAIRESgrilles 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

25. ASPECTS COMPLEMENTAIRES grilles de maintien (suite…)

26. ASPECTS COMPLEMENTAIRESEFFET 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)

27. ASPECTS COMPLEMENTAIRESeffet des oscillations de débit • Mise en évidence à partir d’expériences 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 l’effet système (steam binding) • Résultats : • 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

28. ASPECTS COMPLEMENTAIRESeffet des oscillations de débit

29. ASPECTS COMPLEMENTAIRESeffet 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 • 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 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

30. ASPECTS COMPLEMENTAIRESeffet de la résistance thermique du jeu

31. ASPECTS COMPLEMENTAIRESEFFETS 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 : FXY =1, 1.435 et 1.85 • Profil axial de puissance

32. 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

33. RENOYAGE : PERICLES 2D

34. 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