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LES ECOULEMENTS ET TRANSFERTS DE CHALEUR DIPHASIQUES DANS LES REACTEURS

ECOULEMENTS DIPHASIQUES DANS LES REPs

D. Bestion

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CONTENUL’APRP Grosse Brèche:

ScenarioPhénoménologie

Les petites brèchesScenarioPhénoménologie

Quelques phénomènes de baseTransferts de chaleurDébits critiquesEngorgementCirculation naturelle

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Le REP900 MWe

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 d’une ligne vapeur: RTV  Rupture d’une tuyauterie d’alimentation  Perte d’eau alimentaire aux GVs  Perte totale d’alimentation électrique  Perte du réseau de refroidissement à l’arrêt Ces accidents peuvent être étudiés en y associant des défaillances

secondaires de certains systèmes.

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Le REP et ses IS

Les brèchesenvisagées

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l’APRP Grosse Brèche= plus grosse brèche retenue pour le circuit primaire= base du dimensionnement d’organes de sûreté des REPsnotamment des injections de secours

Warning: rupture guillotine à débattement partiel plus graves qu’un débattement complet

= rupture totale (guillotine) d‘une branche froide doublement débattue

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Le REP et la

Grosse Breche

Rupt

ure

Guillo

tine

8

Hypothèses de l’APRP-GBGB_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 d‘AU 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 l’accident ; les deux files fonctionnent normalement : minimise la pression enceinte.

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Hypothèses de l’APRP-GB pour l’enceinte de confinement

Les hypothèses visent à maximiser la pression enceinte maximale  :

La température de l’eau primaire majorée de 2,2°C et volume = 103% du volume du circuit primaire à froid Tous les accumulateurs et les deux files d’Injection de Secours fonctionnent Les pression et température initiale de l’enceinte sont- les valeurs maximales autorisées Principe de défaillance unique: une seule file d’aspersion de l’enceinte fonctionne

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Critères d’acceptabilité

·        ·        

Critères définis en 1973 par l’US-NRC, pas modifiés depuis:• Tgaine(max) < 1204°C soit 2000°F (éviter emballement réaction exothermique entre l’eau et le zirconium)• Taux d’oxydation des gaines en tout point < 17% de l’épaisseur ( éviter fragilisation des crayons combustibles au remouillage)• Taux d’oxydation moyen des gaines < à 1% (pour limiter quantité d’H2 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

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Scénario de l’APRP-GB

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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

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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 Pconv h Tp TL h h(V,,,,Cp,Dh )

Nu h Dh

f Re ,Pr

Re V Dh

, Pr

Cp

Nu 0,023 Re0,8 Pr

0,4 Colburn

Analyse dimensionnelle

Recalage empirique (Ex: tube chauffant)

V(r)

p T(r)<Tl>

Tp

Nu h Tp Tl

Tp Tl Dh

conv cond

Ex: P = 150 bars; TL = 300°C; F = 140 W/cm2; V = 4,5 m/s

Nu = 717 h = 33400 W/m2/K Tp - TL = 42°C

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Transfert de chaleur en ébullition nuclééeSi 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 l’écoulement. p

T(r)

Tl<Tsat

Tp = Tsat

Tp Tsat

Tp > TsatTsat

= h (Tp -Tsat)Processus encore plus efficace que la convection:

la chaleur latente de vaporisation absorbe une grande quantité d’énergie, les bulles ont une grande surface d’échange et elles accroissent la turbulence dans le liquide.

Flux de chaleur Chaleur latente flux vapeur

Hv HL qv

Hv Hl 106 J / kg

140 W / cm2

qv 1,4 10 4 kg / cm2 / s

Problème: Lorsqu’il 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. Caléfaction Crise d’ébullition Flux critique

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Courbe d’ébullition g[1].avi

A

Tp-Tsat (°C)Tsat

B

q’’ (

W/m

²)

C D

E (Tmax)

F

Conv

ectio

n

Ébul

litio

n en

film

Ébul

litio

n nu

cléé

e

tran

sitio

n

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Etat initial du crayon

900/1800

UO2H2O

H2O

T(°C)

PNmoy/max

Arrêt chaud 8

0

300/330305/345

500/600

Tf=2800

Plmoy = 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

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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 l’énergie stockée initialement

• L’énergie stockée dépend de:* conductivité de la pastille porosité

dégagement des gaz de fission.* coefficient d’échange dans le gap

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Le remplissage et le Bypass de l’eau des Accumulateurs

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Les phénomènes importants pendant le remplissage

Décharge des accumulateurs très violente Fortes instabilités dues à la condensation. Oscillations Bouchons d’eau en BF possibles La présence d’azote limite la violence de la condensation.

l’eau arrive dans l’espace annulaire Fort débit ascendant de vapeurbypass: contournement du cœur vers la brècheDépressuriastion la brèche aspireRemplissage à contre-courant du fond de cuve L’eau descend dans la partie opposée à la BF rompue

Echauffement quasi-adiabatique du cœurEt pendant ce temps…

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Le remplissage et le Bypass de l’eau des Accumulateurs

1

UPTF 5At = 33 s

150130

11090

3 2BR

1 BR 3 2

CATHAREt =37 s

90

110

130

21

Le Renoyage

FT

Z

TTsat

Tg Tv Tp

crayons

vapeur

gouttesrayonnement

rayonnementconvection

convectionévaporation

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Effets système en Renoyage

• Le DP frottement de la vapeur =Écart niveaux tassés cœur-downcomer• Entrainement de gouttes aux GV =Frottement accru sans refroidissement

1ère phase :renoyage oscillant L’eau entre dans le cœur remouillage parties froides Forte vaporisation Surpression locale Chasse d’une partie d’eau dans le Plenum Supérieur et l’autre partie réexpulsée dans le downcomer. 

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Le Renoyage

FT

Z

TTsat

Tg Tv Tp

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

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Scenario d’une petite brèche     Pression primaire < 129.5 bars ==> Arrêt d'urgence

o    Chute des barres de contrôleo    Arrêt de l'alimentation des pompes primaireso    Isolement des GVs : fermeture de l’admission turbine et de l’alimentation, l’ ASG démarrera 60s plus tard

   Pression 1aire < 117.5 bars ==> Signal IS o    Les pompes ISHP démarrent (puis ISBP). Un retard de 30s est à prendre en compte si il y a eu aussi perte des alimentations électriques (démarrage de diesels de secours)

Pression 1aire < 41 bars ==> Décharge accumulateursLe scénario peut varier en fonction de la taille de la brèche et de sa localisation. Des actions opérateurs sont possibles suivant les situations mais nous allons considérer un cas où le réacteur évolue sous la seule action des automatismes.

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Scenario d’une petite brèche

P1 < 129.5 bars ==> ARRÊT d’URGENCE

o    Barres de contrôle inséréeso    Pompes primaires arrêtéeso  GVs’ isolés : admission turbine & eau alimentaire fermées, demarrage ASG (eau auxiliaire ) 60 s + tard

P1 < 117.5 bars ==> Signal d’ Injection de Secours

o  démarrage pompes  ISHP. Retard de 30s en cas de perte alimentation éléctrique (démarrage diesels).

P1 < 41 bars ==> Décharge Accumulateurs

Primary pressureSecondary pressurePrimary totmass

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Les phénomènes et paramètres importants

L’AU survient très tôt : pas de pb de refroidissement du cœur dans le court terme ni avant l’AU, l’inertie des pompes assure un débit suffisant Deux paramètres sont particulièrement importants pour le déroulement de l’accident:

• l’inventaire en masse IM du circuit primaire • la pression 1aire Pprim (agit sur l’activation des ISBP, ISHP, Accu)

L’ IM dépend de la compétition entre fuite et IS:• L’IS peut compenser les plus petites fuites ou brèches. • Brèches plus importantes: l’IM décroît et est f° de Pprim.

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La pression primaireBilan d’énergie du circuit primaire

ISISlslbrvsvbrwGVco

vsvlsl HQHQHQWWWdtdPV

dtHMHMd

       Hyp 1: liquide et vapeur sont à la saturation     Hyp 2: Effets des IS et des échanges avec les parois externes négligées

)hh(QQC

WCHH

111

dP

1d1dP

dh1

lslISIS

lsISIS

ii

lsvslsvs

ks

ks

ksk

brSGISwcorevvll CCCCCdtdPMM

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Effet d’une brèche sur PprimUne brèche met un fluide fortement pressurisée à la pression basse de l’enceinte. 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.

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Le plateau de pression primaire

brGVcovvll CCCdtdPMM

Stabilisation temporaire de Pprim un peu au-dessus de Psec tant que la brèche évacue moins de volume que n’en crée le cœur.

Le surplus doit alors s’évacuer 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 jusqu’à : Cco < Cbr

Pprim quitte alors le plateau et rechuteles échanges inverse aux GV n’apportent que très peu

d’énergie au circuit primaire.Parfois les opérateurs dépressurisent le circuit secondaire

pour dépressuriser et refroidir le primaire, ce qui n’est utile -et possible- que lorsque Cco>Cbr.

30

Evolution de la pression primaire

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0temps (fonction de taille brèche)

pres

sure

(M

Pa)

pression primaire

pression secondaire(sans intervention)

pression secondaire(avec refroidissementsecondaire)

W généré ds coeur décroit and Cbreak croit (+ de vapeur à la brèche) tq : Ccore < Cbreak P1 quitte le plateau and decroit

stabilisation de P1 au dessus de P2 tant que la brèche evacue moins de volume que le coeur n’en crée the core.

P2 quand SGs isolés, reste quasi constante and limitée à la pression de tarage des soupapes

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Les débits critiquesDébit critique ou bloqué en écoult 1-phase

P1 P2 K

Q2

2

1c2

P

s

32

Les débits critiques diphasiques

1c2

P

s

s22 P∂

V∂VM

c1

c d'autant plus grande que l’inertie 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

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

Essais SUPER MOBY DICK

35

Les phénomènes et paramètres importants

Après l’arrêt des pompes la circulation du fluide dans le circuit primaire est régie par les phénomènes gravitaires. A mesure que IM décroit trois régimes d’évacuation 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 l’influencer :

L’engorgement (ou CCFL) qui retient de l’eau hors du cœur Le bouchage et débouchage des branches intermédiaires

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La Circulation naturelle

Est générée par les différences de

densité entre les parties chaudes montantes et les parties froides descendantes

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Le régime Caloduc

La vapeur générée dans le cœur se

condense dans les GV

fin de la CN tassement de l’eau 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)

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P1P2

P1 > P2

BOUCHAGE ET DEBOUCHAGE DES

BRANCHES

INTERMEDIAIRES

L’eau du cœur et partie montante des BI se met en équilibre thermique avec le

secondaire L’eau 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

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Le phénomène d’engorgement 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

QlinjQbyp

QvQv

QlinjQbyp

Qld

Qlinj

Qv

40

Engorgement

L’engorgement dans les

REPsL'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

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EXEMPLE D’UNE BRECHE 10 POUCES EN BRANCHE FROIDE

Boucle Système

LSTF JAERI Japon

42

Scenario – Phenomenes essentiels

Hypothèses:• Défaillance ISHP• Accumulateurs OK• A t= 120s surchauffe importante du cœur oblige à couper WcoeurLes phénomènes essentiels sont :• De 0 à 20 s : chute brutale de Pprim jusqu’à 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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200

300

400

500

600

700(°C)

température crayons

milieu

haut

bas

temps (s)0 80 160 240 320

8

16

24

32(KPa)

P coeur

arrêt puissance coeurpression primaire

LPI

accumulateur

vidange BI

0

4

8

12

16

(MPa) arrêt d'urgences, arrêt pompes, isolement GV

brèche dénoyée

pression secondaire

ESSAI LSTF SBCL09 : Brèche 10" Branche Froide

44

(KPa)

80

60

40

20

0

branchedescendante

branchemontante

P tubes GV

ESSAI LSTF SBCL09 : Brèche 10" Branche Froide

(KPa)

20

0

- 20

branchemontante

branchedescendante

temps (s)40 80 120 160 200

P branche intermédiaire

P1P2

P1 > P2

45