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Le code TONUS

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[Simulation et modélisation de l'explosion d'hydrogène]

Le code TONUS traite, dans un outil unique, l’ensemble des phénomènes liés au risque hydrogène (distribution, combustion, détonation) susceptibles de survenir dans l’enceinte de confinement d’un réacteur à eau pressurisée en cas d’accident grave. La version V2006.1 de TONUS a été livrée en juin 2006, clôturant ainsi le cycle de développement du code débuté en 1995, en collaboration avec le CEA.

TONUS permet : 

  • de prédire la répartition des gaz dans l’enceinte de confinement et les chargements en pression générés par la combustion de l’hydrogène ;
  • de simuler l’ensemble des phénomènes liés à la distribution, à la déflagration et à la détonation de l’hydrogène en tenant en compte de l’impact des moyens de limitation des conséquences d’explosion d’hydrogène.
  •  

Modèles 

TONUS est composé de trois modules qui s’appuient sur deux approches différentes :

  • l’approche multicompartiments (en anglais Lumped Parameter ou LP) qui résout les équations de bilan massique et énergétique sur des volumes de contrôle appelés compartiments (qui peuvent être fictifs). L’équation de conservation de la quantité de mouvement n’est pas résolue ; elle est approchée par des termes d’échange entre les compartiments. Cette approche est utilisée pour l’un des modules du code, 
  • l’approche multidimensionnelle (en anglais Computational Fluid Dynamics ou CFD), qui consiste à résoudre localement les équations de la thermohydraulique d’enceinte (équations de Navier-Stokes multi-espèces) couplées aux modèles de turbulence, de condensation, de combustion, etc. Deux modules utilisent cette approche : le premier adopte une formulation bas-mach résolue en utilisant la méthode des éléments-finis alors que le deuxième module repose sur une formulation compressible et un algorithme numérique en volumes finis.

Les deux approches sont complémentaires. En effet, l’approche multicompartiments ne peut pas couvrir tous les régimes des écoulements rencontrés dans un réacteur. L’approche multidimensionnelle permet de remédier à ce handicap avec néanmoins un coût en temps de calcul beaucoup plus élevé. Le couplage des deux approches (modules 0D et 3D du code TONUS) permet, à coût raisonnable, de traiter avec l’approche multicompartiments les zones où est attendue une concentration homogène ou en deçà des limites d’inflammabilité ; et d’utiliser l’approche multidimensionnelle dans les zones où le risque hydrogène est le plus significatif.

 

Qualification 

La matrice de qualification du code TONUS a été construite en adoptant une approche de type PIRT (Phenomena Idenification Ranking Table), de manière à disposer aussi bien des essais à effet séparé (SETs) et à effet couplé (CETs) que des essais intégraux (Iets). Les essais SETs et CETs ont été réalisés sur des installations telles que TOSQAN (installation située à Saclay et exploitée par l’IRSN), et MISTRA (installation située à Saclay et exploitée par le CEA) pour la distribution et ENACCEF (installée au CNRS Orléans et cofinancée par l’IRSN) pour la combustion. Les essais intégraux ont été réalisés sur des installations de grande échelle telles que HDR (en Allemagne), NUPEC (au Japon) et RUT (en Russie). Certains de ces essais, figurant dans la matrice de qualification, ont été réalisés dans le cadre de projets européens tel que le projet HYCOM, ou de projets de l’OCDE tels que l’ISP47, ECORA, SETH, où la participation de TONUS a confirmé son aptitude à prédire la distribution et les chargements en pression générés par la combustion de l’hydrogène.

 

Applications

 

En terme d’application, l’IRSN a notamment utilisé le code TONUS pour évaluer les chargements en pression générés par la combustion de l’hydrogène dans le bâtiment des auxiliaires nucléaires d’un réacteur de la centrale de Chinon et dans le local 7TNA2 du site Creys-Malville. En 2006, et plus récemment en 2010, le code TONUS a été utilisé par l’IRSN pour évaluer l’impact du concept « deux zones » sur la distribution et la combustion de l’hydrogène dans l’enceinte du réacteur EPR (European Pressurized Reactor).
Dans ses futures évolutions, le code TONUS pourrait simuler la distribution et la combustion de gaz explosibles autres que l’hydrogène, gaz qui peuvent se dégager lors d’un accident dans un laboratoire ou une usine mettant en œuvre des matières radioactives.

 

Publications 

The TONUS CFD code for hydrogen risk analysis: physical models, numerical schemes and validation matrix (29/09/2005)
S. Kudriakov, F. Dabbene, E. Studer, A. Beccantini, J.P. Magnaud, H. Paillère (1), A. Bentaïb, A. Bleyer (2), J. Malet (3), C. Caroli (2), (1) CEA Saclay, (2) IRSN/DSR, (3) IRSN/DSU, CFD4NRS Benchmarking of CFD codes for application to nuclear reactor safety, Garching, Munich, 5-7 septembre 2006, Rapport DSR 137

The development of severe accident codes at IRSN and their application to support the safety assessment of EPR (31/08/2006)
C. Caroli, A. Bleyer, A. Bentaïb, P. Chatelard, M. Cranga, J.P. Van Dorsselaere, 14th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE 14), Miami, Floride, USA, 17-20 juillet 2006, Rapport DSR 132

Containment thermal-hydraulic simulations with an LP-CFD approach: qualification matrix of the TONUS code (31/08/2006)
A. Bentaïb1, A. Bleyer1, J. Malet1, C. Caroli1, J. Vendel1, S. Kudriakov2,F. Dabbene2, E. Studer2, A. Beccantini2, J.P. Magnaud2, H. Paillère2, 14th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE 14), Miami, Floride, USA, 17-20 juillet 2006, Rapport DSR 131

H2 gradient effect on premixed flame propagation in a vertical facility : ENACCEF (30/12/2005)
A Bentaïb, A. Bleyer, N. Lamoureux, F. Malet, N. Djebaïli-Chaumeix, C.E. Paillard, ICDERS 20, International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Montréal, 31 juillet - 5 août 2005, Rapport DSR 101

Air-steam tests in the MISTRA facility: Experimental results and validation of the lumped-parameter/CFD TONUS code (29/11/2005)
A. Bentaïb, J. Vendel, H. Simon, L. Blumenfeld, I. Tkatschenko, H. Paillère, ERMSAR 2005, European Review Meeting on Severe Accident Research, Aix-en-Provence, 14-16 novembre 2005, Rapport DSR 99

Simulation-de-la-propagation-de-flamme-dans-l-enceinte-ENACCEF-avec-le-code-TONUS-figure-de-droite

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