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Ébullition transitoire : modélisation du transfert de chaleur

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Laboratoire d'accueil : ​Laboratoire incertitude et modélisation des accidents de refroidissement (LIMAR)

Date de début de thèse : octobre 2015

Nom du doctorant : Valentin Scheiff


​Descriptif du sujet

Lors d'un hypothétique accident de type RIA (Reactivity Initiated Accident) dans un réacteur nucléaire, le pic de puissance au niveau d'un crayon de combustible peut déclencher une ébullition transitoire conduisant à une forte augmentation de la température de la gaine. L'évolution est tellement rapide qu'aucun régime de transfert de chaleur n'a le temps de s'établir.

 

Quelques études en conditions réacteurs ont permis d'obtenir des courbes d'ébullition transitoires mais la modélisation qui en découle manque encore de fiabilité. Les essais prévus dans le programme international d'essais dans CABRI simuleront le phénomène mais ne permettront pas de développer sa modélisation. Ce constat a motivé l'IRSN à entreprendre un programme de recherche. Une expérience modèle a ainsi été construite à l'Institut de mécanique des fluides de Toulouse. Cette expérience considère l'écoulement d'un réfrigérant dans un canal de section semi-annulaire, simulant l'écoulement autour d'un crayon de combustible, dont la partie intérieure, composée d'une feuille de métal, est chauffée rapidement par effet Joule, simulant l'échauffement de la gaine du crayon. Une caméra rapide permet de visualiser les régimes d'ébullition.

 

La thermographie infra-rouge permet de mesurer la température de la paroi externe du métal. L'application d'une peinture noire sur le métal augmente son émissivité mais aussi la résistance thermique de la paroi. Une étude a permis d'optimiser l'estimation de la température interne du clinquant, qui est la grandeur d'intérêt, en fonction de la peinture et de corriger la mesure.

 

L'expérience doit permettre d'étudier le transfert de chaleur lorsqu'un film de vapeur se forme et isole la paroi ce qui tend à augmenter fortement la température de paroi. Du fait de la faible inertie thermique de la paroi, le pilotage initial de l'expérience par un signal de puissance rendait difficile cette étude. Un contrôle en température à l'aide d'un P.I.D. (Proportionnel, Intégrateur, Dérivateur) a donc été implémenté. Les résultats en ébullition nucléée permettent de retrouver les résultats de la littérature tant en conditions stationnaires que transitoires (rampes de température de 5-500 K/s).

 

L'ébullition en film, pendant la chauffe ou le refroidissement de la paroi peut donc être stabilisée et son étude va permettre de modéliser tous les régimes de l'ébullition transitoire. Ainsi en reprenant tous les résultats obtenus et en les comparant avec les tests déjà effectués en conditions de réacteurs nucléaires de type NSRR et PATRICIA, il sera possible de les implémenter dans le logiciel SCANAIR.