Modélisation de l'ébullition nucléée dans
les Réacteurs à Eau Pressurisée

Contexte industriel

La filière "Réacteur à Eau Pressurisée" (REP) est la plus répandue dans le monde ; l'ensemble des centrales nucléaires françaises fournit environ 80 % de l'électricité produite sur le territoire. Cette électricité est produite à partir de la réaction exothermique produite par la fission du combustible nucléaire situé dans le coeur du réacteur.

Le coeur des REP est constitué d'environ une centaine d'assemblages de crayons de combustible composés de pastilles d'uranium enrichi. Le fluide caloporteur (eau) circulant autour de ces crayons est chargé de récupérer la chaleur émise par la réaction de fission par l'intermédiaire de la gaine des crayons et agit également comme modérateur. La première barrière de confinement de la radioactivité garantissant la sûreté des REP est donc la gaine des crayons de combustible.


Principe de fonctionnement d'un REP



Sujet

La crise d'ébullition est un phénomène qui se traduit par une dégradation de l'échange de chaleur entre la paroi chauffante et le fluide caloporteur environnant entraînant une montée en température de la paroi avec, le cas échéant, des conséquences néfastes sur son intégrité.

La crise d'ébullition étant l'un des phénomènes critiques qui pourraient conduire à la rupture des gaines de crayon de combustible, elle fait l'objet d'études approfondies lors de la conception thermo-hydraulique des REP. Il est donc absolument nécessaire de prendre en compte le phénomène de crise d'ébullition de manière fiable. C'est à la fois :

  • un problème de sûreté pour lequel une bonne connaissance des marges vis-à-vis du flux critique est primordiale,
  • et une question avec des impacts sur le domaine de fonctionnement de la centrale, donc liée à des enjeux de compétitivité économique forts.

La présente étude s'inscrit dans le cadre de la prédiction de ce phénomène, l'une des problématiques primordiales concernant la sûreté des installations nucléaires. La prise en compte du phénomène de crise d'ébullition dans les études de conception thermo-hydraulique des REP passe aujourd'hui par la mise en oeuvre d'une approche semi-empirique. Cette approche consiste en l'exploitation de données expérimentales de flux critique avec un code de calcul afin de développer des corrélations de flux critique ; l'association "corrélation/code" constitue le prédicateur de flux critique exploité ensuite pour les calculs en coeur.

Les données expérimentales de flux critique sont obtenues lors d'essais ("campagnes de flux critique") réalisés dans des grappes de crayons chauffants à l'échelle locale 1, pour des conditions thermo-hydrauliques prototypiques des coeurs. Cette approche est satisfaisante sur le plan de la sûreté, mais elle peut contenir un manque de généralité : tout nouveau combustible nécessite une nouvelle caractérisation de ses performances en flux critique via une expérimentation lourde et coûteuse.

Cependant le recours à des études expérimentales reste limité car il est impossible de recréer les conditions extrêmes de pression régnant dans le circuit primaire. Dans ce cadre, une plate-forme d'outils de simulations thermo-hydrauliques adaptée aux besoins futurs de l'industrie nucléaire a été développée : le projet NEPTUNE est un programme de R&D mis en place par EDF R&D et le Commissariat à l'Energie Atomique (CEA) à la fin des années 2001. Supporté également par l'Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN) et AREVA-NP, il vise à répondre à des problématiques industrielles majeures telles que l'amélioration de la prédiction de la crise d'ébullition de type caléfaction.

Objectifs

La prédiction de la crise d'ébullition de type caléfaction, dont l'effet est l'augmentation brutale de la température en paroi, est donc primordiale pour la sûreté nucléaire. Pour parvenir à une telle prédiction, il est alors nécessaire d'avoir un bon modèle pour le flux de chaleur en régime d'ébullition nucléée implanté dans le code NEPTUNE.
Divers modèles de prédiction de ce flux de chaleur existent mais peuvent être spécifiques à des conditions qui ne correspondent pas exactement à celles d'un REP.

Le premier objectif est donc d'évaluer quelques modèles de la littérature et les comparer à des corrélations existantes à basse pression et ensuite en conditions similaires à celles d'un REP. Notre étude se basera principalement sur la thèse suivante réalisée par Michael Montout :

« Contribution au développement d'une Approche Prédictive Locale
de la crise d'ébullition »

L'objectif final est de définir quels modèles peuvent être utilisés pour la prédiction de la crise d'ébullition de type caléfaction et d'introduire les bonnes lois d'échelle si nécessaire, étant donné que les corrélations énoncées dans la littérature n'ont pas été, a priori, développées dans la gamme de paramètres industriels d'intérêt.

Pour cela, deux outils sont à notre disposition, MATLAB et NEPTUNE. Dans un premier temps, l'évaluation des modèles se fera sous MATLAB puis l'implantation des modèles et la comparaison avec les données existantes se fera à l'aide du code NEPTUNE.
Il est attendu de présenter une étude critique, utile et cohérente d'un point de vue scientifique, tout en apportant une valeur ajoutée, des modèles de prédiction de la crise d'ébullition en condition REP.

Sébastien Lafitte (3HY ENGT) - Grégory Houvin (3HY ENGT) - Thomas Abadie (3HY MFN)

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