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

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

2. 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 d’un résistance thermique • Effet bi-dimensionnel • Conclusion

3. Rupture Guillotine APRPGROSSE BRECHE

4. APRPGROSSE BRECHESCENARIO • 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 • 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. RENOYAGE • EVOLUTION TG et PRESSION 2ème pic 1er pic

6. APRPGROSSE BRECHEDECOMPRESSION • 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 d’ébullition (t<1s) • refroidissement des crayons par le régime d’ébullition 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. APRPGROSSE BRECHEREMPLISSAGE : PHENOMENES IMPORTANTS • décharge accumulateurs violente • fortes instabilitées dues à la condensation (Tsub200 °C) • eau arrive dans l’espace annulaire • eau bypassée à la brèche • situation d’engorgement avec condensation dans l’espace annulaire (downcomer) : courant ascendant de vapeur contrarie la descente de l’eau 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 30 -35 s  Montée quasi-adiabatique des températures gaine

8. APRPGROSSE BRECHEREMPLISSAGE

9. APRPGROSSE BRECHERENOYAGE • ISBP prend le relais des accumulateurs • Phase initiale : oscillations gravitaires entre cœur et downcomer • 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 • 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

10. RENOYAGE

11. transition E (Tmax) Ébullition nucléée q’’ (W/m²) Convection C D B Ébullition en film F A Tsat Tp-Tsat (°C) RENOYAGE: Echanges thermiques TBO TMFS

12. 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 • 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) • 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 l’interface : (qvi et qil) • Rayonnement entre crayons et liquide

13. RENOYAGE

14. RENOYAGE qli qvi qpv

15. 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 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 • 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

16. 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

17. 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

18. 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

19. 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

20. Exemple de calculs BETHSY

21. 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 

22. 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

23. ASPECTS COMPLEMENTAIRES grilles de maintien (suite…)

24. 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)

25. 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

26. ASPECTS COMPLEMENTAIRESeffet des oscillations de débit

27. 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

28. ASPECTS COMPLEMENTAIRESeffet de la résistance thermique du jeu

29. 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

30. 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

31. RENOYAGE : PERICLES 2D

32. 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 • 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