Le projet et son organisation

Quelques rappels préalables

Le cas des REP

Les réacteurs à eau pressurisée (REP) ou bouillante (REB) constituent l'essentiel du parc nucléaire français. Deux circuits d'eau fermés (primaires et secondaires) et un circuit d'eau ouvert (circuit de refroidissement) sont nécessaires au fonctionnement d'un REP.

Ainsi, l'énergie issue de la réaction exothermique produite par la fission du combustible nucléaire situé dans le cœur du réacteur sert à vaporiser de l'eau à l'aide d'une source de chaleur (barreaux contenant les matériaux radioactifs) qui entraînera les turbines. Ces dernières feront tourner les pâles d'un alternateur, lequel produira de l'électricité. Enfin, la vaporisation de l'eau se fait au sein des générateurs de vapeur. 

Dans le cas où les barreaux se mettraient à chauffer anormalement plusieurs dispositifs sont prévus notamment l’ouverture de la vanne du condenseur. En effet cela  permet d’évacuer l’air chaud sous haute pression vers les cuves remplies d’eau du condenseur et qui à leurs tours transmettront l’eau froide vers la cuve du réacteur. Une deuxième solution en complément de la première, est de baigner la cuve du réacteur dans de l’eau et de la mettre en mouvement afin d’extraire et d’évacuer la chaleur. C’est sur ce sujet que repose notre étude.

 

Comment cela fonctionne-t-il ?

L’idée est de regarder dans le cas d’accidents nucléaires type Fukushima où se trouve une surchauffe importante des réservoirs des réacteurs.

Il est prévu de faire un arrosage extérieur pour refroidir par convection le réservoir par l’extérieur (ce qui n’a pas été fait à temps à Fukushima car les personnes en charge voulaient préserver la centrale un maximum de temps ; d’où une certaine hésitation à mettre de l’eau de mer au départ car cela compromettait l’existence de la centrale). A cause de ce retard, la température a commencé à augmenter et son état a atteint un point d’irréversibilité avec des dégagements d’hydrogène et des conséquences plus importantes par la suite.

Il faut donc réfléchir à la manière la plus efficace pour asperger de l’eau par un circuit extérieur autour de l’enveloppe du réacteur nucléaire pour refroidir au maximum à l’intérieur du réacteur (on regarde la fusion du cœur par exemple (accident de Tchernobyl)).

L'étude porte sur la partie du circuit primaire, et comme cela vient d’être dit sur le refroidissement extérieur du cœur du réacteur.

Il existe deux méthodes de refroidissement :

- Refroidissement par jet impactant : cette méthode est probablement moins efficace que la seconde car le cœur étant tellement chaud les gouttelettes ne touchent pas la paroi car elles sont vaporisées avant, on est au-delà du flux critique. L’augmentation de la puissance du jet pourrait être vue comme une bonne solution mais cela pourrait endommager les parois du réacteur.

- Un re-noyage par l’extérieur (écoulement d’eau qui va circuler dans une enveloppe à l’extérieur du cœur) semble la méthode la mieux adaptée. Nous sommes alors dans une configuration d’un écoulement dans un canal avec une ébullition nucléée sur la paroi.

Dans le cas des régimes d'ébullition en paroi, les lois qui sont mises en place correspondent à des régimes hautes pressions fortement sous refroidi à une température de 320°C. On est donc 40 à 50°C en-dessous de la température de saturation justement pour éviter qu'il y ait une forte ébullition dans ces circuits primaires de centrale (l’eau ne doit pas bouillir en fonctionnement normal). En effet les flux de chaleurs sont extrêmement forts, si l'ébullition commence à se déclencher, le risque est le développement d'une vaporisation très forte sur la paroi. Cette vaporisation créée alors une isolation entre l'écoulement liquide et les parois qui ne sont plus sous-refroidis, d'où une surchauffe importante.

Études menées et perspectives

De nombreuses études ont été menées, notamment la thèse de Michael Montou avec l’étude des modèles d’ébullition en paroi, puis les rentrer dans le code de simulation Neptune afin de tester ces modèles et améliorer ceux qu’il y a dans le code pour finalement s’approcher du flux critique et regarder les conditions.

Concernant notre étude, nous serons placés plus en amont, à savoir la recherche du bon modèle d’ébullition qui traduise ce qu’il se passe à pression atmosphérique avec de l’eau.

Donc la première partie de l’étude va consister à chercher qu’est-ce qu’on a comme résultats expérimentaux à notre disposition sur des écoulements bouillants avec de l’eau à pression atmosphérique (étape de recherche bibliographique et surtout ces expériences permettront (à pression atmosphérique) de regarder ce que donnera le code Neptune et de faire la validation).

 

Nous sommes un groupe de quatre et la séparation en deux binômes permettra de traiter séparément :

-       La Modélisation des flux de chaleur en paroi (Recherche des données, validation et comparaison expérimentale).

-       La Simulation numérique avec Neptune (groupe de Thomas LIGEOIS et d’Aurélien ZMELTY).

 

Cependant les deux approches sont assez complémentaires donc les deux groupes seront amenés à travailler ensemble (échange de données).

Malgré cela, notre groupe devra s’attacher à la compréhension du cours de diphasique, à savoir les modèles d’ébullition nucléées en paroi (notamment résultats issus des modèles de Yu et Wang). Attention tout de même car ici il s’agit d’une ébullition convective et les lois de fermeture sur les fréquences et les diamètres sont différentes du cas classique. Il va y avoir  de plus sur les aspects de modélisation, il y a des choses intéressantes à faire comme les diamètres de détachement des bulles, les fréquences de déformation, (ce n’est pas assez précis et adapté).

Une étudiante a regardé l’an passé la modification des modèles en paroi qu’il y a dans Neptune et  elle a fait un codage sous Matlab. Mais aucune comparaison avec des bases de données expérimentales. Il peut donc être intéressant de voir ce de voir ce qu’il y a dans Neptune. Dans ce cadre nous allons devoir nous auto former sur ce logiciel ainsi que le logiciel de maillage qu’il lui est associé : Simail.

De plus la collaboration avec Stéphane MINOUNI va s’avérer nécessaire en raison de son expertise dans ce domaine et pour l’échange de de maillage (maillage EDF). De même l’étude approfondie de  la thèse de Michael MONTOU va être nécessaire pour comprendre tous les aspects importants de ce sujet.

Nous lui demanderons également les résultats des simulations des écoulements en tube ainsi que l’envoi d’un cas test bouillant qui fonctionne correctement, donc il suffit de le lancer pour voir les résultats.

Démarche adoptée

Afin d’aborder ce problème la démarche a été d’étudier trois grands cas à pression atmosphérique :

  • « MONO_FROID » : cas monophasique où l’écoulement sur la paroi est à température de de 20°C et la paroi n’est pas chauffée.
  • « MONO_CHAUD » : cas monophasique avec une température en paroi inférieure à la température d’ébullition.
  • « EBULLITION » : cas diphasique avec une température en paroi supérieure à la température d’ébullition.

Les deux premiers cas vont permettre également une adaptation progressive avec le logiciel NEPTUNE_CFD et permettront de voir l’influence du maillage sur l’étude. En effet celui-ci à un rôle crucial en fonction du cas à étudier et va être amené à évoluer tout au long de l’étude.

Dans un second temps nous nous attacherons à la modélisation des transferts thermiques en proche paroi (interaction avec l’autre groupe et recherches propre au nôtre). Les deux étapes seront :

  • La modélisation des flux de chaleur qu’on va avoir dans un extérieur d’un réacteur à eau pressurisée.
  • Code Neptune : pour le moment ce-dernier n’est pas utilisé en simulation pour l’extérieur des cuves mais pour l’intérieur du réacteur ; il est utilisé et il validé pour des écoulements d’eau à haute pression (155 bars)  et haute température (320°C). La simulation sera donc réalisée à basse pression en tenant compte des modèles de flux de chaleur.

Les étapes clés :

  • Angle d’attaque du problème : données du problème
  • Initiation à Simail
  • Initiation à Neptune
  • Analyse des modèles les plus utilisés dans les différents codes de calculs (Neptune, CFX, Fluent, StarCCM+)
  • Proposition d’amélioration de ces modèles
  • Implémentation dans le code Neptune
  • Simulation numérique avec Neptune bouillant en tube et comparaison avec les résultats expérimentaux issus de la littérature et de la thèse de Michael MONTOUT.
  • Traitement de texte d’un rapport écrit.
  • Préparation de diapositive sous PowerPoint.

Organisation des tâches

Production de document et conditions de distribution

Environnement

Pour la transmission électronique des documents, le système adopté doit accepter les noms de fichiers long (ex:Windows98 ou Linux)

Logiciels informatiques

Afin de ne pas engendrer de conflits de versions informatiques, il est impératif de respecter les spécifications suivantes:

  • Pour le traitement de texte: Microsoft Word97
  • Pour la Planification de Projet: Microsoft Projet 98
  • Pour les informations tabulaires et graphiques: Microsoft Excel97
  • Pour les présentations: Microsoft PowerPoint97
  • Pour les mailler l'environnement : Simail
  • Pour analyser le problème diphasique : Neptune CFD
  • Pour traiter les données graphiques : Paraview
  • Pour traiter les données numériques : Matlab R2013a

Distribution Electronique

Les documents peuvent être échangés et distribués au moyen de systèmes d'email employés pour des transferts de document. (norme de la plupart des logiciels: (MS Exchange, MS Outlook, Netscape/Mozilla).

Diagramme de Gant et management des risques

Diagramme de Gant

 

Management des risques

Malgré la simplicité du projet, il entraîne quelques risques. Le tableau suivant résume les risques prévus et les actions à entreprendre :