Laboratoire d'accueil : Laboratoire d'etude et de modélisation des accidents de refroidissement (LEMAR)
Date de début de thèse : 06/10/2009
Nom du doctorant : Jonathan Gerardin
Contexte
L'Accident de Perte de Réfrigérant Primaire (APRP) suite à une brèche sur le circuit primaire, sur un réacteur à eau pressurisée (REP) est un accident de dimensionnement des systèmes de sécurité. Ce scénario est étudié par l'IRSN (Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire).
Au cours d'un tel transitoire accidentel, le coeur du réacteur se dénoie. L'assemblage de combustible constituant le coeur est alors soumis à de hautes températures, entraînant le gonflement du gainage contenant le combustible. Le refroidissement de ces zones ballonnées dépend de l'importance du blocage qui affectera l'écoulement diphasique les traversant. La plupart des modèles de refroidissement de ces zones asséchées, à hautes températures, ne tiennent compte que de l'échange par convection avec la vapeur. Cependant, un régime d'écoulement en film dispersé est généré lors du renoyage du coeur alors que les températures des crayons combustibles sont de l'ordre de 600 à 1200 oC. A de telles températures, les transferts radiatifs en phase gazeuse (vapeur), entre crayons et vers les gouttes, sont importants et jouent donc un rôle primordial dans le refroidissement des assemblages.
Bien qu'il ait été souvent négligé, certains auteurs ont montré que le transfert radiatif dans une telle configuration peut atteindre le même ordre de grandeur que le transfert convectif. Afin, de réaliser une étude complète sur le refroidissement de ces zones ballonnées en transitoire APRP, il est donc indispensable de pouvoir simuler ces transferts de chaleur. Des études précédentes ont été réalisées suivant une approche Euler/Lagrange où les densités de flux radiatif étaient déterminées suivant différentes méthodes plus au moins précises.
La physique du transfert thermiques en écoulement vapeur/gouttes est complexe. En effet, ce milieu semi-transparent est absorbant, diffusant, fortement anisotrope, non gris et hétérogène, les propriétés optiques du milieu dépendent de la localisation. Les gouttes diffusent et absorbent le rayonnement, la vapeur quant à elle n'est considérée que comme un milieu absorbant et en général l'émission du milieu est négligée. Le calcul des flux radiatifs absorbés par l'écoulement vapeur chargé de gouttes nécessite la résolution de l'équation du transport radiatif dans ce milieu. Cette équation portant sur la luminance est spectrale et directionnelle. Le flux radiatif peut-être calculé en intégrant cette équation, sur tous les angles solides, et longueurs d'onde, en considérant les conditions aux limites appropriées. La divergence de flux renseigne, ensuite, les termes sources des équations bilans d'énergie des deux phases en présence et intervient de façon indirecte dans la détermination du transfert de masse associé au rayonnement.
Cependant, devant la complexité de l'étude et les difficultés de résolution de l'équation de transfert radiatif qui en résultent, des hypothèses simplificatrices doivent être considérées pour rendre le problème traitable pour l'étude d'une configuration de type industrielle.
Objectifs
Le but de ce travail est le développement d'une approche Euler/lEuler permettant l'évaluation des flux radiatifs dans la configuration des crayons ballonnés lors du renoyage du coeur et les transferts de masse associés (sous forme d'évaporation des gouttes). Ce modèle sera implanté dans le code NEPTUNE_CFD, qui fait partie de la plate-forme NEPTUNE, co-financée par EDF, le CEA, AREVA et l'IRSN.
L'objectif sera de modéliser les transferts thermiques radiatifs en géométrie ballonnée en situation d'APRP et de déterminer dans quelle mesure ces derniers interviennent dans l'évaporation des gouttes. Pour cela, une approche simulation est envisagée à partir du code de CFD polyphasique Euler/Euler (NEPTUNE_CFD). Ce code existe mais il n'intègre aucun modèle de flux radiatif. Les flux radiatifs devront donc être déterminés à partir de la méthode choisie au préalable, en partie lors d'un stage niveau master (pistes explorées: propriétés radiatives moyennées pour réduire la charge de calcul, méthodes approchées type approximation de Rosseland ou approximation Pl, Méthode des Volumes Finis, Monte Carlo). Et, cela afin de pouvoir renseigner les équations bilans moyennées du code NEPTUNE_CFD. De plus, cette étude devra s'accompagner d'un travail de modélisation du terme source de transfert de masse par évaporation lié au flux thermique radiatif. Enfin, ces résultats de simulation seront validés sur des données expérimentales soient issues de la littérature soit réalisées au LEMTA dans le cadre de cette étude.