Laboratoire d'accueil : Laboratoire d'études et de simulation des accidents majeurs (LESAM)

Date de début de thèse : 06/10/2009

Nom du doctorant : Andrea Bachrata

Contexte

Les accidents graves sont étudiés à la Direction de la Prévention des Accidents Majeurs (DPAM), de l'IRSN. Cette direction, située sur le site de Cadarache, dispose d'installations expérimentales et développe des codes de calcul pour simuler les étapes successives de ce type d'accident.
Un accident grave (événement hautement improbable, mais déjà survenu une fois aux Etats-Unis) peut résulter d'une suite d'événements qui aboutit à la fusion partielle du coeur du réacteur. Les matériaux fondent progressivement et s'accumulent en fond de cuve. Compte tenu de la forte puissance résiduelle dégagée par les matériaux du coeur, il y a un risque de rupture de la cuve du réacteur et de contamination de l'enceinte de la centrale. Ces matériaux doivent donc être refroidis le plus rapidement possible pour éviter de casser la cuve. L'injection d'eau (appelée renoyage) dans un coeur dégradé se produit, en fonction de l'instant de déclenchement du renoyage, à travers des zones du coeur ayant des degrés de dégradation variables ce qui conduit à des écoulements 3D. La modélisation de ce phénomène est primordiale dans le développement du code ICARE/CATHARE qui est un des outils de l'IRSN pour les études de sûreté. Pour traiter le renoyage, l'IRSN a développé une modélisation avancée des phénomènes d'ébullition en milieu poreux à géométrie non homogène. Cette modélisation résulte de deux approches complémentaires: d'une part un modèle moyen à non équilibre local (vitesses, températures) pour décrire l'écoulement, d'autre part une détermination analytique ou numérique des propriétés effectives intervenant dans le modèle moyen. Pour une description précise de l'écoulement diphasique à petite échelle (quelques particules), une outil de simulation numérique directe a été développé, en s'appuyant sur une méthode à interface diffuse.
Récemment, l'IRSN a également lancé un programme expérimental (PEARL) dont l'objectif est de permettre la validation du modèle moyen sur un dispositif 2D de renoyage de particules.

Définition du sujet

Dans le cadre du développement d'ICARE/CATHARE, on envisage de développer un modèle de renoyage 3D capable de traiter les différentes configurations rencontrées lors d'un accident grave. On peut dénombrer quatre "configurations types" : les crayons non dégradés (barreaux de combustible entourés d'une gaine métallique), les crayons peu dégradés (déformés, gonflés), les crayons fortement dégradés (gaine partiellement détruite) et les débris (crayons effondrés, corium relocalisé, etc.). Il existe actuellement une modélisation du renoyage pour les deux configurations extrêmes. Pour les crayons non dégradés, il s'agit d'une approche 1D, faisant un suivi du front et prenant en compte différents régimes d'écoulement en amont de ce front de trempe. Les modèles les plus détaillés de renoyage de structures intactes permettent de tenir compte de la conduction axiale dans la zone proche du front de trempe à l'aide d'un raffinement local du maillage. Cette approche est précise mais n'est pas généralisable au 3D. Pour les débris, il s'agit d'une approche moins précise mais 3D, obtenue par une technique de changement d'échelle, et capable de traiter des débris de géométries diverses. On souhaite profiter de cette dernière caractéristique pour étendre ce modèle aux configurations de crayons fortement dégradés.
Un des avantages recherchés serait d'aboutir à des lois de fermetures indépendantes de l'orientation du front de renoyage (donc très adaptées aux écoulements 3D). Un autre avantage serait d'obtenir ainsi un modèle général de renoyage, s'appuyant sur les mêmes bases physiques pour décrire des configurations du coeur différentes.

Le modèle existant, développé lors d'un travail de thèse (2002), se caractérise par un traitement du déséquilibre thermique entre les phases solide, liquide et gazeuse. Il inclut aussi 2 équations de quantité de mouvement (une pour chacune des phases fluides). Il a permis de mettre en évidence les caractéristiques multidimensionnelles de l'écoulement lors du renoyage. La validation quantitative sur les données expérimentales disponibles a montré que le modèle fournit des résultats satisfaisants, sauf pour les cas où le débit d'eau à travers le lit de particules est important. Dans ces cas, le modèle sous estime largement la progression du front de renoyage et le débit de vapeur produite. Il semble qu'on puisse attribuer cet écart à l'existence, dans les expériences, de gouttelettes d'eau se propageant entre les particules et s'évaporant rapidement, phénomène non modélisé.
Dans le cadre de cette thèse, on prévoit d'apporter des améliorations significatives au modèle existant, essentiellement sur les coefficients effectifs et les lois de fermeture, calculés jusqu'à présent sur des configurations « simplifiées» (cellules stratifiées). Cela impliquerait la prise en compte de caractéristiques locales de l'écoulement, négligées jusqu'à maintenant par manque de connaissance: présence de gouttes, écoulement éventuel des phases en canaux parallèles, effets inertiels et aussi puissance volumique dans les particules. A l'heure actuelle, après des études plus détaillées sur la géométrie des particules et des calculs CFD d'écoulements liquide/gaz dans un milieu poreux (post-doc. réalisé au LESAG), il est possible de décrire de manière plus précise les cellules représentatives du milieu et de l'écoulement, et d'en déduire les améliorations à apporter aux coefficients effectifs et/ou au modèle moyen. On aboutira ainsi à une carte d'écoulements plus précise que celle utilisée actuellement mais aussi plus complète puisque qu'elle inclura le régime de gouttelettes et qu'elle couvrira une plus large gamme de nombres de Reynolds (jusqu'au régime inertiel).
On cherchera ensuite à compléter et affiner les critères caractérisant la transition entre les différents régimes d'écoulements. Un travail sur ce thème a déjà été entrepris au laboratoire. On cherchera à privilégier les critères locaux pour garantir la généralité du modèle et son application au 3D. On testera la pertinence de ces critères sur des situations de renoyage variées : par la haut, par le bas, dans un coeur avec fortes hétérogénéités de porosité, etc...