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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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CONTENU
L’APRP Grosse Brèche:ScenarioPhénoménologie
Les petites brèchesScenarioPhénoménologie
Quelques phénomènes de baseTransferts de chaleurDébits critiquesEngorgementCirculation naturelle
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Le REP900 MWe
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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
Ruptu
re G
uill
oti
ne
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 P
conv 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 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 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
/m²)
C D
E (Tmax)
F
Convect
ion
Ébulli
tion e
n fi
lm
Ébulli
tion n
ucl
éée
transi
tion
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Etat initial du crayon
900/1800
UO2H2
OH2
O
T(°C)
PN
moy/max
Arrêt chaud
80
300/330
305/345
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 cœur
Et pendant ce temps…
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Le remplissage et le Bypass de l’eau des Accumulateurs
1
UPTF 5At = 33 s
150
130
110
90
3 2BR
1 BR 3 2
CATHAREt =37 s
90
110
130
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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'urgenceo 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 pressure
Secondary pressure
Primary 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 HQHQHQWWWdt
dPV
dt
HMHMd
Hyp 1: liquide et vapeur sont à la saturation Hyp 2: Effets des IS et des échanges avec les parois externes négligées
)hh(Q
QC
WC
HH
111
dP
1d1dP
dh1
lslISIS
lsISIS
ii
lsvs
lsvs
ks
ks
ksk
brSGISwcorevvll CCCCCdtdP
MM
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Effet d’une brèche sur Pprim
Une 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
brGVcovvllCCC
dt
dPMM
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 critiques
Débit 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∂
V
M
c
1
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
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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
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Essais SUPER MOBY DICK
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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
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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
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