26-30 Novembre 2007RENOYAGE INSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP Phénomènes thermohydrauliques dans le cœur dun REP dans la

26-30 Novembre 2007

RENOYAGEINSTN :écoulements et transferts de chaleurs diphasiques dans REP

Phénomènes thermohydrauliques dans le cœur d’un REP

dans la phase de renoyage

B.NOEL

CEA-DEN/DR/SSTH

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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

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APRP GROSSE BRECHE

Ruptu

re G

uill

oti

ne

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APRP GROSSE 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

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RENOYAGE EVOLUTION TG et PRESSION

1er pic

2ème pic

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APRP GROSSE 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

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APRP GROSSE BRECHEREMPLISSAGE : PHENOMENES

IMPORTANTS• décharge accumulateurs violente

fortes instabilitées dues à la condensation (Tsub200 °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

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APRP GROSSE BRECHEREMPLISSAGE

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APRP GROSSE 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

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RENOYAGE

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RENOYAGE: Echanges thermiques

Ébulli

tion n

ucl

éée

A

Tp-Tsat (°C)Tsat

B

q’’

(W

/m²)

C D

E (Tmax)

F

Convect

ion

Ébulli

tion e

n fi

lm

transi

tion

TBO TMFS

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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

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RENOYAGE

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RENOYAGE

FT

Z

TTsat

Tg Tv Tp

crayons

vapeur

gouttes

rayonnement

rayonnementconvection

convectionévaporation

qvi

qli

qpv

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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

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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

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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,lC ΔTb,l/ΔZ

avec φ1=h1(Tw-Tsat), flux convectif

φ2=Vb,lCTb,l/ΔZ = K2(P,G,X) TW/ΔZ, flux transporté par la couche limite

Qb,l =εVbl, 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

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• 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 disperséφTB=*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

RENOYAGE : renoyage par le haut

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BETHSY 6.7C: phénomènes en renoyage

Génération vapeurdans le cœur

coeurvapeurdestockee QLP

coeurdownP /

PLSGVgouttes

coeurvapeur

vcoeurdown PQQ

kP

2

/ 2

Formation gouttes

Dépôt / entraînement gouttes

Vaporisation

Condensation

Eclt co- et contre-courant liquide cont. / gouttes

Remplissage

Renoyage

Steam binding

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Exemple de calculs BETHSY

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ASPECTS COMPLEMENTAIRES

• EFFET des grilles de maintien Mise en évidence à partir d’expérience analytique Effets locaux : Grille sèche

h(grillevapeur) car Tv Vaporisation gouttelettes sur bord d’attaque de la grille Tv h(liqvapeur) 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(grillevapeur) car Tv Aire interfaciale Tv (passage d’une configuration gouttelette à une configuration

gouttelette + film) h(liqvapeur) car u Tv Effet d’ailette Tc

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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

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ASPECTS COMPLEMENTAIRES grilles de maintien (suite…)

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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)

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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

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ASPECTS COMPLEMENTAIRESeffet des oscillations de débit

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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 50m 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

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ASPECTS COMPLEMENTAIRESeffet de la résistance thermique du jeu

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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

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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

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RENOYAGE : PERICLES 2D

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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

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