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L'installation

TOSQAN

​[TEST STATION FOR SIMULATION AND QUALIFICATION IN AIRBORNE CONDITIONS]
L’installation TOSQAN permet de simuler des conditions thermo-hydrauliques représentatives de scénarios accidentels susceptibles de se dérouler dans l’enceinte de confinement d’un réacteur nucléaire. Elle permet notamment d’évaluer l’influence de la condensation de la vapeur en paroi, d’un dispositif d’aspersion ou d’étudier le comportement d’aérosols. Son utilisation s’étend à d’autres situations d’étude que les réacteurs nucléaire à eau sous pression, telles que celles liées à la sûreté des tokamaks (installations de fusion nucléaire).

TOSQAN

L'installation

TOSQAN

​[TEST STATION FOR SIMULATION AND QUALIFICATION IN AIRBORNE CONDITIONS]
L’installation TOSQAN permet de simuler des conditions thermo-hydrauliques représentatives de scénarios accidentels susceptibles de se dérouler dans l’enceinte de confinement d’un réacteur nucléaire. Elle permet notamment d’évaluer l’influence de la condensation de la vapeur en paroi, d’un dispositif d’aspersion ou d’étudier le comportement d’aérosols. Son utilisation s’étend à d’autres situations d’étude que les réacteurs nucléaire à eau sous pression, telles que celles liées à la sûreté des tokamaks (installations de fusion nucléaire).

Contexte et objectifs de l'installation

​​L’installation expérimentale TOSQAN a été mise en service au début des années 2000 pour étudier les principaux phénomènes gouvernant la distribution de l’hydrogène dans l’enceinte de confinement d’un réacteur (condensation en paroi, échanges de masse et de chaleur induits par le puisard ou par le dispositif d’aspersion de l’enceinte) et la formation associée de mélanges inflammables. Depuis une dizaine d’années, son champ d’application de l’installation a été élargi à d’autres domaines de la sûreté nucléaire telles que l’étude du risque de dispersion d’aérosols lors des opérations de retrait du corium des réacteurs de Fukushima ou les accidents de perte de vide par entrées d’eau ou d’air dans la chambre à vide de la future installation de fusion ITER. Les données expérimentales acquises dans TOSQAN contribuent à la validation des logiciels de calcul utilisés en sûreté nucléaire.

​Vue de la partie centrale de la cuve de l'installation TOSQAN.
(c) Francesco Acerbis / IRSN Médiathèque

Contexte et objectifs de l'installation

Contexte et objectifs de l
​Vue de la partie centrale de la cuve de l'installation TOSQAN.
(c) Francesco Acerbis / IRSN Médiathèque

​​L’installation expérimentale TOSQAN a été mise en service au début des années 2000 pour étudier les principaux phénomènes gouvernant la distribution de l’hydrogène dans l’enceinte de confinement d’un réacteur (condensation en paroi, échanges de masse et de chaleur induits par le puisard ou par le dispositif d’aspersion de l’enceinte) et la formation associée de mélanges inflammables. Depuis une dizaine d’années, son champ d’application de l’installation a été élargi à d’autres domaines de la sûreté nucléaire telles que l’étude du risque de dispersion d’aérosols lors des opérations de retrait du corium des réacteurs de Fukushima ou les accidents de perte de vide par entrées d’eau ou d’air dans la chambre à vide de la future installation de fusion ITER. Les données expérimentales acquises dans TOSQAN contribuent à la validation des logiciels de calcul utilisés en sûreté nucléaire.

Principe et descriptif de l'installation

​TOSQAN se compose d’une cuve cylindrique fermée (volume 7 m3, hauteur 4 m, diamètre interne 1,5 m) dans laquelle des injections contrôlées de vapeur d’eau ainsi que de divers gaz et aérosols non radioactifs et non explosifs sont réalisées pour simuler des conditions thermo-hydrauliques d’un accident de fusion du coeur affectant un réacteur nucléaire (pression et température maximales de dimensionnement : 6 bar – 160 °C).

 

​Vue de la partie centrale de la cuve de l'installation TOSQAN.
(c) @ ​Seignette Olivier - Lafontan Mikaël / Médiathèque IRSN

Principe et descriptif de l'installation

Principe et descriptif de l
​Vue de la partie centrale de la cuve de l'installation TOSQAN.
(c) @ ​Seignette Olivier - Lafontan Mikaël / Médiathèque IRSN

​TOSQAN se compose d’une cuve cylindrique fermée (volume 7 m3, hauteur 4 m, diamètre interne 1,5 m) dans laquelle des injections contrôlées de vapeur d’eau ainsi que de divers gaz et aérosols non radioactifs et non explosifs sont réalisées pour simuler des conditions thermo-hydrauliques d’un accident de fusion du coeur affectant un réacteur nucléaire (pression et température maximales de dimensionnement : 6 bar – 160 °C).

 

 

Schéma de principe de la cuve de l'installation TOSQAN

 

 

Modifications apportées pour l'étude sur la remise en suspension des poussières dans l'installation de fusion ITER

 

​Instrumentation associée à la cuve TOSQAN
(c) Francesco Acerbis / IRSN Médiathèque
​Instrumentation associée à la cuve TOSQAN
(c) Francesco Acerbis / IRSN Médiathèque

 

Schéma de principe de la cuve de l'installation TOSQAN

 

 

Modifications apportées pour l'étude sur la remise en suspension des poussières dans l'installation de fusion ITER

 

L’instrumentation de TOSQAN

L'instrumentation de TOSQAN a été conçue pour caractériser des écoulements multiphasiques dans des conditions expérimentales hostiles. L'installation possède un haut niveau d'instrumentation, tant en densité qu'en diversité grâce à des développements spécifiques effectués avec des partenaires universitaires (CNRS CORIA). Ces moyens de mesure, basés pour la plupart sur des méthodes optiques innovantes, permettent de caractériser localement et de manière non intrusive les écoulements multiphasiques composés de mélanges gazeux (air, vapeur d'eau et hélium utilisé pour simuler la présence d'hydrogène), de gouttelettes d'eau et d'aérosols simulant un relâchement de produits de fission.

​Haomin SUN, chercheur du JAEA japonais, est accueilli pour plusieurs mois au sein du laboratoire pour travailler sur le rabattement des aérosols par aspersion dans une enceinte de confinement en situation d'accident grave et  sur le projet MITHYGENE.
(c) Francesco Acerbis / ​IRSN Médiathèque

L’instrumentation de TOSQAN

L’instrumentation de TOSQAN
​Haomin SUN, chercheur du JAEA japonais, est accueilli pour plusieurs mois au sein du laboratoire pour travailler sur le rabattement des aérosols par aspersion dans une enceinte de confinement en situation d'accident grave et  sur le projet MITHYGENE.
(c) Francesco Acerbis / ​IRSN Médiathèque

L'instrumentation de TOSQAN a été conçue pour caractériser des écoulements multiphasiques dans des conditions expérimentales hostiles. L'installation possède un haut niveau d'instrumentation, tant en densité qu'en diversité grâce à des développements spécifiques effectués avec des partenaires universitaires (CNRS CORIA). Ces moyens de mesure, basés pour la plupart sur des méthodes optiques innovantes, permettent de caractériser localement et de manière non intrusive les écoulements multiphasiques composés de mélanges gazeux (air, vapeur d'eau et hélium utilisé pour simuler la présence d'hydrogène), de gouttelettes d'eau et d'aérosols simulant un relâchement de produits de fission.

​Les diagnostics optiques, une spécificité de TOSQAN

Pour mesurer la vitesse des gouttes :

la vélocimétrie doppler laser (LDV)la vélocimétrie par images de particules (PIV)
 

Pour mesurer la taille des gouttes :

l’imagerie de défaut de mise au point (ILIDS, Interferometrics laser imaging for droplet sizing) qui permet de mesurer le diamètre par l’analyse des franges d’interférences crées par l’interaction d’un laser et d’une goutte. Voir vidéo ci-dessous
 

Pour mesurer la température des gouttes :

la réfractométrie par arc-en-ciel
 

Pour mesurer les concentrations gazeuses :

la spectrométrie par diffusion raman spontanée (DRS), qui utilise l’interaction inélastique entre un photon incident du laser et une molécule polyatomique.
 

Les autres mesures

Gaz : concentration, température (K), vitesse, turbulence, pression

Gouttes : diamètre, vitesse, température

Aérosols : diamètre, concentration

 

​Emmanuel Porcheron, chercheur du Laboratoire de physique et de métrologie des aérosols (LPMA), devant l'outil d'analyse de l’imagerie de défaut de mise au point. A l'écran, les gouttes montrant les interférences créées par interaction avec le laser.
(c) Francesco Acerbis / IRSN Médiathèque
​Emmanuel Porcheron, chercheur du Laboratoire de physique et de métrologie des aérosols (LPMA), devant l'outil d'analyse de l’imagerie de défaut de mise au point. A l'écran, les gouttes montrant les interférences créées par interaction avec le laser.
(c) Francesco Acerbis / IRSN Médiathèque

​Les diagnostics optiques, une spécificité de TOSQAN

Pour mesurer la vitesse des gouttes :

la vélocimétrie doppler laser (LDV)la vélocimétrie par images de particules (PIV)
 

Pour mesurer la taille des gouttes :

l’imagerie de défaut de mise au point (ILIDS, Interferometrics laser imaging for droplet sizing) qui permet de mesurer le diamètre par l’analyse des franges d’interférences crées par l’interaction d’un laser et d’une goutte. Voir vidéo ci-dessous
 

Pour mesurer la température des gouttes :

la réfractométrie par arc-en-ciel
 

Pour mesurer les concentrations gazeuses :

la spectrométrie par diffusion raman spontanée (DRS), qui utilise l’interaction inélastique entre un photon incident du laser et une molécule polyatomique.
 

Les autres mesures

Gaz : concentration, température (K), vitesse, turbulence, pression

Gouttes : diamètre, vitesse, température

Aérosols : diamètre, concentration

 

​Vue intérieure de la cuve de l'installation TOSQAN durant une expérimentation d'aspersion, avec le laser utilisé pour réaliser les mesures de taille et de vitesse par ILIDS et PIV.
(c) Francesco Acerbis /​ IRSN Médiathèque
​Vue intérieure de la cuve de l'installation TOSQAN durant une expérimentation d'aspersion, avec le laser utilisé pour réaliser les mesures de taille et de vitesse par ILIDS et PIV.
(c) Francesco Acerbis /​ IRSN Médiathèque

Les programmes de recherche associés

​Les programmes de recherche réalisés dans TOSQAN s’inscrivaient initialement dans le cadre des études menées à l’IRSN sur les accidents graves susceptibles d’affecter les réacteurs nucléaires. Tosqan a notamment été conçue pour réaliser des études sur la distribution d'hydrogène. La combustion violente de l’hydrogène généré par la dégradation du cœur d’un réacteur peut en effet endommager le confinement du réacteur ou la perte de ses systèmes de sûreté. Aujourd’hui le champ d’application de l’installation a été élargi à des domaines qui impliquent la caractérisation et l’analyse de mécanismes physiques similaires.

​Vue générale de l'installation TOSQAN.
(c) Francesco Acerbis / IRSN Médiathèque

Les programmes de recherche associés

Les programmes de recherche associés
​Vue générale de l'installation TOSQAN.
(c) Francesco Acerbis / IRSN Médiathèque

​Les programmes de recherche réalisés dans TOSQAN s’inscrivaient initialement dans le cadre des études menées à l’IRSN sur les accidents graves susceptibles d’affecter les réacteurs nucléaires. Tosqan a notamment été conçue pour réaliser des études sur la distribution d'hydrogène. La combustion violente de l’hydrogène généré par la dégradation du cœur d’un réacteur peut en effet endommager le confinement du réacteur ou la perte de ses systèmes de sûreté. Aujourd’hui le champ d’application de l’installation a été élargi à des domaines qui impliquent la caractérisation et l’analyse de mécanismes physiques similaires.

Les programmes en cours

​sur ITER : dispersion de poussières dans la chambre à vide d’un réacteur à fusion

Dans le cadre du projet d’installation ITER de recherche sur la fusion, il s’agit d’étudier la dispersion des poussières dans la chambre à vide du tokamak. Tosqan permet de simuler certains scénarios accidentels (perte de vide par entrée d’air ou entrée d’eau) pouvant survenir dans le Tokamak ITER en vue d’acquérir des données expérimentales qui seront utilisées pour valider des codes de calculs.

Vidéos ci-dessous :

- Visualisation de l'ébullition-flash et de bulles dans le conduit injectant de l'eau à 6 kg/h dans l'installation FAAMUS sous une pression de 1 mBar et à 20°C

- Mise en suspension de poussières sous l'effet d'une injection d'air dans TOSQAN

​Installation FAAMUS (flash atomization and aerosol mobilization under vacuum system) a été mise au point durant la thèse de Benjamin Blaisot pour étudier l'intrusion d'eau dans l'enceinte sous vide du Tokamak de l'installation de fusion ITER.
(c) Francesco Acerbis / IRSN Médiathèque
​Installation FAAMUS (flash atomization and aerosol mobilization under vacuum system) a été mise au point durant la thèse de Benjamin Blaisot pour étudier l'intrusion d'eau dans l'enceinte sous vide du Tokamak de l'installation de fusion ITER.
(c) Francesco Acerbis / IRSN Médiathèque

Les programmes en cours

​sur ITER : dispersion de poussières dans la chambre à vide d’un réacteur à fusion

Dans le cadre du projet d’installation ITER de recherche sur la fusion, il s’agit d’étudier la dispersion des poussières dans la chambre à vide du tokamak. Tosqan permet de simuler certains scénarios accidentels (perte de vide par entrée d’air ou entrée d’eau) pouvant survenir dans le Tokamak ITER en vue d’acquérir des données expérimentales qui seront utilisées pour valider des codes de calculs.

Vidéos ci-dessous :

- Visualisation de l'ébullition-flash et de bulles dans le conduit injectant de l'eau à 6 kg/h dans l'installation FAAMUS sous une pression de 1 mBar et à 20°C

- Mise en suspension de poussières sous l'effet d'une injection d'air dans TOSQAN

​Pour le démantèlement de Fukushima : caractériser les aérosols issus de la découpe du corium par une technique laser

L’IRSN est impliqué dans un projet mené par le groupe ONET, en collaboration avec le CEA, pour évaluer la faisabilité de la découpe par laser pour récupérer le cœur des réacteurs endommagés de la centrale de Fukushima, dans le cadre de leur démantèlement. L'Institut participe à ce projet en étudiant la problématique de la dispersion des aérosols générés par la découpe. En identifiant le terme source aérosol mis en suspension pendant les opérations de découpe laser et en proposant et en évaluant l’efficacité de stratégie pour assurer le  confinement des aérosols, l’Institut contribue à évaluer le risque radiologique pour les hommes et pour l’environnement.

​Ouverture d'un des hublots de la cuve de l'installation TOSQAN.
(c) Francesco Acerbis / IRSN Médiathèque
​Ouverture d'un des hublots de la cuve de l'installation TOSQAN.
(c) Francesco Acerbis / IRSN Médiathèque

​Pour le démantèlement de Fukushima : caractériser les aérosols issus de la découpe du corium par une technique laser

L’IRSN est impliqué dans un projet mené par le groupe ONET, en collaboration avec le CEA, pour évaluer la faisabilité de la découpe par laser pour récupérer le cœur des réacteurs endommagés de la centrale de Fukushima, dans le cadre de leur démantèlement. L'Institut participe à ce projet en étudiant la problématique de la dispersion des aérosols générés par la découpe. En identifiant le terme source aérosol mis en suspension pendant les opérations de découpe laser et en proposant et en évaluant l’efficacité de stratégie pour assurer le  confinement des aérosols, l’Institut contribue à évaluer le risque radiologique pour les hommes et pour l’environnement.

​L’étude du rabattement par les précipitations d’aérosols émis dans l'environnement en situations accidentelles

Ce programme encore en cours a utilisé l'installation TOSQAN entre 2009 et 2012 afin de déterminer des lois phénoménologiques décrivant le rabattement des aérosols par différents types de pluie, à partir d’expériences analytiques bien contrôlées et finement instrumentées. L’installation Tosqan permet de simuler certaines conditions représentatives du rabattement atmosphérique : gouttes millimétriques, vitesse terminale de chute, intensité de pluie. Une thèse dirigée par le Laboratoire de Météorologie Physique (LAMP) de Clermont Ferrand a été réalisée dans le cadre de ce programme (voir la thèse de A. Quérel).

 

​Buse d'aspersion à l'intérieur de la cuve de TOSQAN.
(c) Francesco Acerbis / Médiathèque IRSN
​Buse d'aspersion à l'intérieur de la cuve de TOSQAN.
(c) Francesco Acerbis / Médiathèque IRSN

​L’étude du rabattement par les précipitations d’aérosols émis dans l'environnement en situations accidentelles

Ce programme encore en cours a utilisé l'installation TOSQAN entre 2009 et 2012 afin de déterminer des lois phénoménologiques décrivant le rabattement des aérosols par différents types de pluie, à partir d’expériences analytiques bien contrôlées et finement instrumentées. L’installation Tosqan permet de simuler certaines conditions représentatives du rabattement atmosphérique : gouttes millimétriques, vitesse terminale de chute, intensité de pluie. Une thèse dirigée par le Laboratoire de Météorologie Physique (LAMP) de Clermont Ferrand a été réalisée dans le cadre de ce programme (voir la thèse de A. Quérel).

 

​Les programmes passés

Les recherches phares à l’origine de TOSQAN : l’étude des risques liés à l’hydrogène en cas d’accident grave d’un réacteur nucléaire


Les effets mécaniques résultant d’une combustion de l’hydrogène émis pendant la dégradation du cœur d’un réacteur peuvent endommager le confinement de ce réacteur ou entrainer la perte de ses systèmes de sûreté. Le programme TOSQAN, suivi du programme ERCOSAM (7e PCRD) (tous deux menés entre 2000 et 2010), a permis d’étudier les principaux phénomènes influençant la distribution de l’hydrogène dans l’enceinte de confinement d’un réacteur, pouvant ainsi conduire à la création de mélanges inflammables. Le programme Tosqan-aspersion a notamment étudié les phénomènes d’évaporation/condensation des gouttes d’eau générées par les buses et le piégeage des aérosols dans les sprays de gouttes d’eau représentatifs de la situation en réacteur. Obtenues sur une dizaine d’années à l’aide de plus de 300 expériences analytiques, les données expérimentales acquises ont contribué à valider les différents modèles physiques implantés dans les codes de calcul en sûreté nucléaire utilisés ou développés à l’IRSN (P2REMICS, Astec), et donc à vérifier la capacité des logiciels de calcul à simuler la distribution de l’hydrogène.

 

ALIDS, développement d’une instrumentation optique aéroportée

Le projet ALIDS coordonné par l’IRSN dans le cadre du réseau EUFAR du 7e PCRD a concerné le développement d'une instrumentation optique aéroportée embarquée dans un avion permettant de mesurer la granulométrie des gouttes d’eau dans les nuages. La sonde ALIDS est fondée sur le diagnostic optique d’imagerie en défaut utilisée dans l’installation Tosqan, pour caractériser la granulométrie des gouttes d’aspersion.

 

​Vue, à travers un hublot de la cuve de TOSQAN, de l'aspersion éclairée par le laser des diagnostics optiques.
(c) Francesco Acerbis / IRSN Médiathèque
​Vue, à travers un hublot de la cuve de TOSQAN, de l'aspersion éclairée par le laser des diagnostics optiques.
(c) Francesco Acerbis / IRSN Médiathèque

​Les programmes passés

Les recherches phares à l’origine de TOSQAN : l’étude des risques liés à l’hydrogène en cas d’accident grave d’un réacteur nucléaire


Les effets mécaniques résultant d’une combustion de l’hydrogène émis pendant la dégradation du cœur d’un réacteur peuvent endommager le confinement de ce réacteur ou entrainer la perte de ses systèmes de sûreté. Le programme TOSQAN, suivi du programme ERCOSAM (7e PCRD) (tous deux menés entre 2000 et 2010), a permis d’étudier les principaux phénomènes influençant la distribution de l’hydrogène dans l’enceinte de confinement d’un réacteur, pouvant ainsi conduire à la création de mélanges inflammables. Le programme Tosqan-aspersion a notamment étudié les phénomènes d’évaporation/condensation des gouttes d’eau générées par les buses et le piégeage des aérosols dans les sprays de gouttes d’eau représentatifs de la situation en réacteur. Obtenues sur une dizaine d’années à l’aide de plus de 300 expériences analytiques, les données expérimentales acquises ont contribué à valider les différents modèles physiques implantés dans les codes de calcul en sûreté nucléaire utilisés ou développés à l’IRSN (P2REMICS, Astec), et donc à vérifier la capacité des logiciels de calcul à simuler la distribution de l’hydrogène.

 

ALIDS, développement d’une instrumentation optique aéroportée

Le projet ALIDS coordonné par l’IRSN dans le cadre du réseau EUFAR du 7e PCRD a concerné le développement d'une instrumentation optique aéroportée embarquée dans un avion permettant de mesurer la granulométrie des gouttes d’eau dans les nuages. La sonde ALIDS est fondée sur le diagnostic optique d’imagerie en défaut utilisée dans l’installation Tosqan, pour caractériser la granulométrie des gouttes d’aspersion.

 

​Cuve de TOSQAN, vue du dessus.
(c) Francesco Acerbis / Médiathèque IRSN
​Cuve de TOSQAN, vue du dessus.
(c) Francesco Acerbis / Médiathèque IRSN

Caractéristiques de l'installation TOSQAN

​Volume : 7 m3Hauteur : 4,8 mDiamètre : 1,5 mAccès optiques : 14Pression : 1 à 6 barTempérature : jusqu’à 160°CInjection de vapeur : débit de 1 à 30 g/sInjection aspersion : débit de 1 à 40 g/sTempérature eau aspersion : 20°C  à 90°C
​Vue intérieure de l'installation durant une aspersion, et avec le laser des diagnostic optiques.
(c) Francesco Acerbis / Médiathèque IRSN
Caractéristiques de l
​Vue intérieure de l'installation durant une aspersion, et avec le laser des diagnostic optiques.
(c) Francesco Acerbis / Médiathèque IRSN

Caractéristiques de l'installation TOSQAN

​Volume : 7 m3Hauteur : 4,8 mDiamètre : 1,5 mAccès optiques : 14Pression : 1 à 6 barTempérature : jusqu’à 160°CInjection de vapeur : débit de 1 à 30 g/sInjection aspersion : débit de 1 à 40 g/sTempérature eau aspersion : 20°C  à 90°C