L'installation Tosqan

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.

​TOSQAN se compose 

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.

En vidéo : visualisation des gouttes montrant les interférences créées par interaction avec le laser

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

​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.

Ébullition-flash et bulles dans le conduit injectant de l'eau à 6 kg/h dans l'installation FAAMUS

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. 

- 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 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.

Caractéristiques de l'installation TOSQAN

• ​Volume : 7 m3
• Hauteur : 4,8 m
• Diamètre : 1,5 m
• Accès optiques : 14
• Pression : 1 à 6 bar
• Température : jusqu’à 160°C
• Injection de vapeur : débit de 1 à 30 g/s
• Injection aspersion : débit de 1 à 40 g/sT
• Température eau aspersion : 20°C  à 90°C