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Modélisation d'évolutions de configurations du corium en fond de cuve en cas d'accident grave dans un réacteur nucléaire


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​Shambhavi Nandan a soutenu sa thèse le le vendredi 20 décembre 2019 à Cadarache.

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Mots clés >

Unité de recherche > IRSN/PSN-RES/SAG/LEPC

Auteurs > NANDAN Shambhavi

Date de publication > 20/12/2019

Résumé

Pour la sûreté des réacteurs nucléaires en cas d’accident grave, l’un des problèmes à fort enjeu est la rétention du combustible nucléaire fondu, appelé corium, à l’intérieur de la cuve du réacteur (RPV). Une des façons de refroidir le corium dans le RPV est de refroidir la cuve par l’extérieur. Cette stratégie est appelée rétention du corium en cuve (IVR). En cas de stratégie IVR,  on s’attend à ce que le bain de corium soit entouré d’une croûte oxyde qui sera en contact avec de l’acier fondu à la surface supérieure du bain et le long de la cuve. Il a été observé dans les essais CORDEB (financés par IRSN, CEA, EDF et AREVA), que cette croûte devient perméable, ce qui a un impact sur l’épaisseur de la couche d’acier fondu située au-dessus. Pour la stratégie IVR, une fine couche de métal au-dessus de la croûte peut conduire à un flux de chaleur excessif vers la paroi de cuve, conduisant à une rupture éventuelle de la cuve. Ce phénomène est communément appelé focusing effect.

Ce travail traite de l’étude de la dissolution d’une telle croûte afin d’estimer le temps pour que l’acier s’écoule à travers elle. D’un point de vue thermochimique, le corium est un mélange d’UO2, ZrO2 et Zr. Les interactions chimiques dans le système quaternaire composé de U, Zr, Fe et O jouent un rôle important dans la stabilité (ou non) de la croûte. Une étude thermochimique faite dans le cadre de cette thèse montre ce système quaternaire peut être réduit à deux systèmes ternaires dans chaque phase : (U, Zr) + O dans la phase oxyde et (U, Zr) + Fe dans la phase métal, où les atomes Fe et O restent respectivement dans les phases métal et oxyde, et les atomes (U, Zr) sont transférés entre les phases, avec une proportion U/Zr approximativement constante. De plus, il a été montré dans le présent travail que, dans ces systèmes ternaires dans chaque phase, les interactions chimiques entre la croûte et le liquide peuvent être modélisées comme la dissolution d’une zone poreuse diphasique binaire par un liquide. Par conséquent, un modèle macroscopique a été développé par prise de moyenne volumique des équations de transport –masse, espèces, quantité de mouvement, énergie -, sur un volume élémentaire représentatif (VER).
Le système final d’équations différentielles a été fermé en déterminant plusieurs relations empiriques pour la diffusivité effective des espèces, les coefficients de transfert de masse, la perméabilité et la conductivité effective. D’abord, le modèle a été résolu numériquement pour étudier la progression de la dissolution dans un domaine 2D diphasique sans convection dans la phase métal (vm = 0) avec plusieurs relations de fermeture pour les coefficients de transfert de masse. Cette étude a été faite pour déterminer la relation de fermeture la plus pertinente permettant de décrire la dissolution de la croûte telle qu’observées dans les essais CORDEB.
Cette étude de sensibilité a révélé que, pour retrouver une microstructure similaire à celle observée sur les essais CORDEB, le temps caractéristique de diffusion effective doit être beaucoup plus petit que le temps de dissolution. Ensuite, le modèle a été résolu dans deux cas avec convection dans la phase liquide. Dans le premier cas, l’écoulement liquide est généré par un gradient de pression lorsque qu’une ouverture se forme dans la croûte, à l’issue d’une phase de percolation due à la dissolution. Le second cas est l’étude de la convection thermo-solutale se produisant à cause du gradient de température imposé et des variations de composition résultant de la dissolution. Les deux cas sont analyses par rapport à leurs conséquences en situation d’IVR. Finalement, des conclusions générales ont été tirées vis-à-vis des questions associées à la dissolution en cas d’IVR.