Étude des transferts de masse et de chaleur pour des écoulements à travers des structures poreuses complexes. Application à la modélisation des accidents graves de réacteurs nucléaires à eau sous pression

Dans le cadre d’études permettant d'estimer les conséquences d'un accident grave de réacteur à eau sous pression, des travaux de modélisation détaillée de l'évolution du cœur et du réfrigérant lors d'un accident ont été réalisés à l'IRSN depuis plusieurs années. Les configurations locales pouvant apparaître lors de la dégradation d'un cœur sont très diverses. La géométrie peut varier de celle des crayons initiaux, ordonnée et bien définie, à celle d'arrangements plus désordonnés, mélangeant particules solides et matériaux fondus. La porosité varie également beaucoup. L'échauffement du combustible, la progression du corium, et le refroidissement du cœur en cas de renoyage sont alors conditionnés par les caractéristiques de la matrice plus ou moins poreuse constituée par les particules et les matériaux fondus.

Cet exposé présentera une synthèse des travaux ayant permis de développer des modèles décrivant l'évolution du cœur pendant la dégradation ainsi que son refroidissement lors d'un renoyage par de l'eau. Pour la plupart, ces modèles sont destinés à être intégrés dans les outils de calcul ASTEC et ICARE/CATHARE.

La thématique générale concerne les écoulements anisothermes en milieu poreux avec changement de phase et variation temporelle de la géométrie du milieu. L'approche choisie pour modéliser le cœur consiste à le traiter comme un milieu continu. Ce choix est dicté, entre autres, par la différence d'échelle entre la dimension du cœur (3m de diamètre environ) et la taille des crayons ou des débris formés (moins de 1cm). La démarche suivie, en général, consiste à faire une prise de moyenne volumique des équations de conservation locales dans chacune des phases et à en déduire des équations moyennes. Les équations moyennes font intervenir des coefficients de transport macroscopiques qui contiennent toute l'information concernant les phénomènes physiques à l'échelle locale.

Pour mieux comprendre certains phénomènes à l'échelle locale et déterminer les coefficients macroscopiques effectifs, des outils de simulation numérique ont également été développés pour calculer les transferts sur des cellules représentatives du milieu poreux.

Les thèmes abordés seront :

• les transferts thermiques dans le cœur avec, entre autres, un traitement adéquat du rayonnement 
• la coulée des matériaux fondus à travers le cœur, 
• la solidification des matériaux, en prenant en compte les transferts de masse associés,
• l'écoulement de l'eau et de la vapeur à travers le cœur dégradé, en particulier lors d'un renoyage.