ETUDE THERMOHYDRAULIQUE D'UN REACTEUR NUCLEAIRE

 

Introduction

L'évacuation de la puissance résiduelle d'un coeur de réacteur nucléaire est crutiale. Il faut donc maitriser l'écoulement du circuit de refroidissement. En effet, en cas de situation accidentelle, de l'hélium présent dans le coeur du réacteur doit pouvoir évacuer la chaleur par une circulation naturelle. Il est refroidi par un échangeur avant d'y être réinjecté. Au cours de cette circulation, l'hélium est ralenti par les pertes de charges dans le canal. Il est donc important de connaitre ces pertes de charges pour différentes vitesses d'injection.

Cette étude tente d'établir une estimation la plus réaliste possible de ces pertes de charges à l'aide du logiciel de code de calcul Star CD.

Présentation du Réacteur à Neutrons Rapides refroidi au Gaz RNR-G

La technologie RNR permet d'extraire la totalité de l'énergie de fission contenue dans l'Uranium. L'intérêt principal de ces réacteurs est alors de produire de manière interne autant de combustible que ce qui est utilisé par les réactions de fission et donc de limiter la production de déchets radioactifs.

L'énergie fournie au cours de la réaction est récupérée sous forme de chaleur. Cette énergie est récoltée en utilisant de l'hélium. Il est essentiel de contrôler la réaction en refroidissant le réacteur afin d'éviter tout risque d'accident. Dans le RNR-G, le contrôle de la réaction et le la récupération d'énergie sont réalisés par la circulation de l'hélium dans le coeur du réacteur.

Description du coeur et des assemblages 

Le coeur du réacteur est composé de 387 assemblages. Chaque assemblage est constitué d'un pied, d'une partie fissile au centre, de protecteurs et réflecteurs neutroniques et d'une tête de préhension. L'écoulement de l'hélium s'effectue du pied vers la tête de préhension.  

La zone fissile est composée de 3*9 plaques de combustible positionnées selon une géométrie hexagonale. L'écoulement de l'hélium s'effectue entre les plaques de combustibles du bas vers le haut de l'assemblage afin de favoriser la mise en circulation naturelle du gaz.

 

Description générale des études menées

On traite le cas simplifié d'un canal rectangulaire dans lequel on injecte de l'hélium à une vitesse fixée. La particularité de ce cas réside dans la distorsion géométrique de ce canal, en effet il mesure 1,5m de longueur et 4,6mm d'épaisseur. Afin de réaliser le calcul en trois dimensions, on choisit de donner une profondeur de 0,23mm au canal. Le choix de cette valeur ne représente pas la réalité industrielle, mais a été choisie afin de ne pas ajouter à la distorsion géométrique. L'écoulement est turbulent et le modèle de turbulence choisi est le modèle k-eps à grand nombre de Reynolds. Le modèle thermique choisi est celui de conservation de l'enthalpie statique.

Résultats

Plaque uniforme - cas complet

Cette étude correspond à un cas plus proche du cas réel. En effet la variation de la température entre l'entrée et la sortie étant de l'ordre de quelques centaines de degrés selon la vitesse initiale d'entrée de l'hélium, les propriétés physiques du fluide varient de manière non négligeable. Ces variations influent beaucoup sur l'écoulement final. En particulier, la perte de charge est quasiment multipliée par une fois et demi dans le cas complet. Ceci montre que les corrélations habituelles dans le cas isotherme ne permettent pas d'avoir une bonne approximation de la perte de charge.

De même dans ce cas il est intéressant de regarder le champ de vitesse et le champ de pression afin de vérifier la cohérence des résultats. (vitesse d'entrée égale à 50 m/s)

Le champ de vitesse montre que le régime s'établi beaucoup plus tard que dans le cas isotherme. Cependant, il n'est pas évident d'en déduire la longueur d'établissement car la perspective fait un effet d'optique. Le champ de pression diminue continuellement le long du canal comme dans le cas isotherme.

L'écoulement devient alors compressible, ce qui sera la plus grande source de perte de charge dans le canal (une partie du rapport traitera ce problème plus spécifiquement). Les autres variables de l'écoulement évoluant avec la température sont la viscosité dynamique et la conductivité de l'hélium.

La perte de charge dans le cas réel suit une évolution à peu près identique que dans le cas isotherme mais avec des valeurs supérieures.

Cette modélisation reste une géométrie assez simple comparée au problème réel, étant donné qu'il intervient une géométrie radiale dans la description complète. Cependant, les résultats obtenus donnent une bonne première approximation de la perte de charge, et on peut déjà conclure que la différence de pression ne sera pas supérieure au 0,5 bar fixé comme limite acceptable.


L'étude suivante consiste à étudier l'importance des variations des différentes propriétés de l'hélium. Les trois paramètres pris en compte dans les calculs sont la densité, la viscosité dynamique et la conductivité thermique de l'hélium. Cette étude peut permettre d'éliminer certains calculs inutiles, par exemple, il est intéressant de voir que la viscosité dynamique et la conductivité ne joue pas de rôles majeurs dans le calcul de la  perte de charge. En effet ce sont les variations de rho seul qui sont responsables de la perte de charge supplémentaire par rapport au premier cas isotherme et incompressible.

Le DP all_var représente la perte de charge dans le cas complet, le DP rho_var représente la perte de charge dans le cas du canal chauffé où seul la masse volumique varie et le DP canal représente la perte de charge dans le cas isotherme.

On s'aperçoit alors que la contribution due à la variation de la masse volumique de l'hélium en fonction de la température est responsable quasiment à elle seule de l'augmentation de la perte de charge par rapport au canal isotherme.

Cependant il apparaît que l'évolution de la température dans le canal est fortement influencée par la conductivité de l'hélium.

T chauffé représente la température du fluide en sortie du canal lorsque tous les paramètres sont constants, T rho_var représente la température du fluide en sortie du canal lorsque seul la densité est variable, T all_var représente la température du fluide en sortie du canal lorsque toutes les propriétés sont variables.

Ce graphe montre que la température de sortie dépend fortement de la variation de la conductivité thermique de l'hélium. Ce résultat n'est pas surprenant car la capacité de l'hélium à conduire la chaleur augmente avec la conductivité, la température est donc plus basse en sortie dans le cas où la conductivité de l'hélium est variable.

Conclusion

Une étude non exhaustive des sources de perte de charge dans un canal d'hélium chauffé a été dressée. Même s'il apparaît que les résultats obtenus assurent que la condition de sécurité concernant la perte de charge maximale dans le canal soit respectée, il faut rester prudent par rapport aux résultats obtenus. En effet, il faudrait trouver une corrélation ou un système expérimental permettant de valider ces résultats, le but étant de tenir un raisonnement semblable à celui dans le cas du canal isotherme où la perte de charge obtenue par la corrélation de Blasius est comparée à celle trouvée numériquement.

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