Présentation du projet

Présentation du projet

Contexte Industriel


Une centrale nucléaire utilise l'énergie issue de la fission d'un atome lourd pour produire de l'électricité. L'énergie produite par la fission nucléaire permet de chauffer un fluide caloporteur  qui circule dans le circuit dit « primaire » et qui reste à l’état liquide. Ce fluide chauffé est mis en contact avec un circuit secondaire via un échangeur. Le fluide du circuit secondaire passe à l'état gazeux et ce gaz entraine une série de turbines qui produisent de l’électricité via un alternateur. Ci-dessous un schéma illustrant les différents circuits d’une centrale nucléaire.

 

Fonctionnement d'une centrale REP

 

Il existe plusieurs types de centrales nucléaires dont  les plus récentes et les plus présentes à travers le monde sont les Réacteurs à Eau Pressurisée (REP). Actuellement, 58 réacteurs nucléaires français assurent près de 80% de la production d’électricité du pays.

Le programme nucléaire initié dans les années 1970 a pourvu la France de fortes capacités de production d’électricité et bon marché, ce qui permet aujourd’hui à la France d’afficher des prix de consommation d’électricité parmi les plus bas des pays développés.

Aujourd’hui, le public reste sceptique vis-à-vis du nucléaire, encore plus depuis la catastrophe de Fukushima en mars 2011. Certes la production nucléaire n’émet pas de CO2 mais produit des déchets radioactifs pour lesquels les technologies de stockage sont discutables.

Les accidents rappellent aux français les risques potentiellement néfastes que le nucléaire peut faire peser sur les populations. Malgré tout, il est important de noter que la sûreté nucléaire française est une des plus complètes du monde et dispose de fonds très importants.

EDF dispose également de plusieurs milliers d’années de REX (Retour d’Expérience) de centrales en fonctionnement. En plus de ces REX, EDF investit 1 million d’euros par jour dans la recherche.

Le cœur des REP est constitué d'une centaine d'assemblages de crayons de combustible composés de pastilles d'uranium enrichi. Le fluide caloporteur 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. Le fluide (eau) agit également comme modérateur, c'est-à-dire que l’eau est un composant essentiel à la régulation et la stabilité de la réaction nucléaire. La première barrière de confinement de la radioactivité garantissant la sûreté des REP est donc la gaine des crayons de combustible.

Pour garantir l'intégrité du confinement, il est indispensable d'éviter l'ébullition de l'eau autour des gaines des crayons. En effet, la vapeur d'eau prend plus de place que l'eau liquide mais surtout absorbe beaucoup moins de chaleur. La surchauffe locale peut mener à une fusion de la gaine. Notre travail s'articule donc autour de la prédiction de formation de bulles de vapeur en paroi.

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Position du problème


Nous nous intéressons dans un premier temps à l’étude d’une bulle de vapeur qui se forme et se détache sur une paroi chauffée horizontale et sans écoulement de fluide. Puis nous étudierons le cas d’une bulle isolée dans un écoulement vertical en proche paroi. La figure ci après donne les conventions et axes utilisées lors de notre étude.

Les angles α et β seront deux inconnues importantes à déterminer. Au sens des efforts capillaires, l’angle α est l’angle amont et l’angle β est l’angle aval. Cette convention est dictée par le sens de l’écoulement ascendant.

On note : $$\theta = \frac{\alpha-\beta}{2}$$

Le but de cette étude est de déterminer, à partir des équations bilans de quantité de mouvement, les angles α et β ainsi que le rayon de la bulle pour lequel celle-ci se détache de la paroi. En effet, si l’on arrive à décrire le plus finement possible ces phénomènes dynamiques, on arrivera à comprendre mieux l’ébullition nucléée hétérogène en convection forcée. Le phénomène de formation des bulles dans un réacteur à eau pressurisée provient, le cas échéant, de la vaporisation du liquide sur la gaine chauffante.

 

Définition des angles, axes de la bulle

 

Nous constatons qu’actuellement, les modèles proposés sont assez peu satisfaisants pour prédire le détachement d’une bulle. Ils mettent en évidence la complexité du problème et le manque de données ou d’informations pour écrire un modèle basé sur un bilan dynamique à plusieurs forces.

Un autre problème provient du manque de données expérimentales dans les conditions du circuit de refroidissement primaire d’une centrale nucléaire. En effet, les conditions sont particulières puisque la pression y est de 155 bars environ pour des écoulements à très forts débits, chaque pompe primaire débitant à plus de 20 000 m3/h.

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Nous vous invitons à consulter notre première étude