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Date de publication : 10 mars 2018 Mots-clés sûreté | écoulement diphasique | t

Date de publication : 10 mars 2018 Mots-clés sûreté | écoulement diphasique | thermohydraulique | taux de vide Keywords safety | two-phase flows | thermal hydraulics | void fraction Pour toute question : Service Relation clientèle Techniques de l’Ingénieur Immeuble Pleyad 1 39, boulevard Ornano 93288 Saint-Denis Cedex Par mail : infos.clients@teching.com Par téléphone : 00 33 (0)1 53 35 20 20 Réf. : BN3050 V2 Thermohydraulique des réacteurs à eau sous pression Cet article est issu de : Énergies | Génie nucléaire par Christophe HERER Résumé La chaleur produite dans le cœur d’un réacteur nucléaire est transférée au fluide du circuit primaire. Dans les générateurs de vapeur, le circuit primaire échange cette chaleur en vaporisant l'eau du circuit secondaire. Il est nécessaire d’évacuer une certaine quantité d’énergie à l’extérieur. Ces exemples relèvent tous de phénomènes analysés par la thermohydraulique, à savoir l’hydraulique avec transfert de chaleur et possible changement de phase (condensation ou ébullition). Cet article traite des domaines d’application de la thermohydraulique. Les notions nécessaires pour le dimensionnement et pour les analyses de sûreté des réacteurs à eau sous pression sont explicitées. Abstract Heat generated in the core of a nuclear power plant is transferred to the water. In the steam generators, this heat is used to vaporize the water in the secondary circuit. Heat resulting from the second law of thermodynamics, or from resulting power, has to be dumped outside. These examples are typical of thermalhydraulics applications, hydraulics with heat transfer and possible phase change (boiling and condensation). This article presents fundamentals of thermalhydraulics. Basics for design and for safety analyses of pressurized water reactors are presented. Document téléchargé le : 12/05/2020 Pour le compte : 7200104319 - altran technologies france // matthieu MARTINELLI // 84.14.209.116 © Techniques de l'Ingénieur | tous droits réservés Copyright © – Techniques de l’Ingénieur – Tous droits réservés BN 3 050v2 – 1 Thermohydraulique des réacteurs à eau sous pression par Christophe HERER Ingénieur chargé d’expertises Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire, Fontenay-aux-Roses, France Avec la participation de Tony Glantz (IRSN) pour la rédaction des sous-sections 3.4 et 5.2. a thermohydraulique est l’étude du transfert de la chaleur couplé à l’hydraulique des écoulements, avec la prise en compte d’une masse volu- mique variable résultant par exemple de l’échauffement ou du refroidissement du fluide. Cependant, l’aspect le plus complexe demeure le changement de phase et le traitement d’écoulements diphasiques eau-vapeur. Dans un réac- teur à eau pressurisée, l’eau du circuit primaire a un double rôle de caloporteur et de modérateur. Outre les enjeux de la maîtrise des transferts d’énergie et donc des températures dans les systèmes et composants d’un réacteur à eau sous pression, sa température ou la quantité de vapeur présente a un impact primordial sur la réactivité et donc la neutronique du cœur. La thermohydraulique s’intéresse à l’état du fluide, à son mode de circulation et aux échanges thermiques dans le réacteur, dans les situations normales 1. Notions élémentaires .............................................................................. BN 3 050v2 - 2 1.1 Diamètre hydraulique.............................................................................. — 2 1.2 Valeurs moyennes et maximales des paramètres ................................ — 2 2. Caractérisation de l’état du fluide.......................................................... — 3 2.1 État énergétique....................................................................................... — 3 2.2 Grandeurs diphasiques ........................................................................... — 5 2.3 Régimes d’écoulements .......................................................................... — 7 3. Modélisations........................................................................................... — 9 3.1 Démarche proposée et hypothèses associées ...................................... — 9 3.2 Modèle homogène à l’équilibre (HEM) .................................................. — 9 3.3 Modèle à dérive de flux........................................................................... — 9 3.4 Modèles à deux fluides............................................................................ — 11 4. Corrélations spécifiques.......................................................................... — 11 4.1 Grandeurs thermohydrauliques et incertitudes .................................... — 12 4.2 Évaluation du taux de vide...................................................................... — 12 4.3 Évaluation des pertes de charge............................................................. — 14 4.4 Évaluation du débit critique .................................................................... — 23 4.5 Transfert thermique................................................................................. — 26 5. Sûreté des REP......................................................................................... — 33 5.1 Crise d’ébullition ...................................................................................... — 33 5.2 Accident de perte de réfrigérant du circuit primaire (APRP) ................ — 38 6. Conclusion................................................................................................ — 42 7. Glossaire................................................................................................... — 42 8. Sigles, notations et symboles ................................................................ — 42 Pour en savoir plus .................................................................................. Doc. BN 3 050v2 L Parution : mars 2018 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200104319 - altran technologies france // matthieu MARTINELLI // 84.14.209.116 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200104319 - altran technologies france // matthieu MARTINELLI // 84.14.209.116 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200104319 - altran technologies france // matthieu MARTINELLI // 84.14.209.116 tiwekacontentpdf_bn3050 v2 THERMOHYDRAULIQUE DES RÉACTEURS À EAU SOUS PRESSION ____________________________________________________________________________ Copyright © – Techniques de l’Ingénieur – Tous droits réservés BN 3 050v2 – 2 d’exploitation, d’incidents et d’accidents y compris les plus graves afin que les critères de sûreté se trouvent respectés en toutes circonstances. Les méthodes et modèles présentés dans cet article constituent les principes de base pour permettre de mieux appréhender les problèmes liés à la mécanique des fluides avec échange de chaleur ou en écoulement à deux phases (liquide et vapeur). On adoptera une approche empirique, les modèles théoriques et équa- tions sont du domaine des ouvrages spécialisés. Ces modèles empiriques sont principalement issus de l’hydraulique en charge et de la thermique dans les conduites de section circulaire. Cet exposé n’a pas vocation à couvrir l’ensemble des connaissances, notamment les phénomènes liés à l’analyse des accidents graves ne sont pas abordés. On trouvera dans cet article une introduction aux phénomènes physiques, à leur interprétation et à leur modélisation. 1. Notions élémentaires 1.1 Diamètre hydraulique Une des spécificités de l’industrie nucléaire et du réacteur à eau sous pression (REP) réside, en particulier, dans des géométries complexes dans le cœur, la cuve et l’ensemble des composants du réacteur où l’eau s’écoule dans un milieu confiné mais ouvert dans lequel les échanges transverses sont importants. Une approche simplifiée communément utilisée dans l’hydrau lique (par rapport à la mécanique des fluides) considère des écou lements unidirectionnels dans des conduites circulaires. Afin d’utiliser pour toute géométrie d’écoulement les résultats de l’hydraulique établis en conduite circulaire, on utilise la formula tion de Chézy qui détermine un diamètre hydraulique Dh équiva lent prenant en compte la surface de passage du fluide A et le périmètre mouillé . Chézy propose la relation simple : (1) Si le concept du diamètre hydraulique est acceptable, son appli cation, et notamment avec la relation (1), introduit des erreurs et des incertitudes supplémentaires dans les modèles utilisés. Ces erreurs et incertitudes peuvent être réduites par la détermination d’une relation pour le diamètre hydraulique plus spécifique et adaptée à une géométrie donnée. Dans le cœur d’un REP, en fonctionnement nominal, la vitesse du fluide est à direction privilégiée verticale ascendante le long des assemblages de combustible. Le combustible est constitué de barreaux cylindriques à section circulaire (de 9,5 mm de diamètre le plus souvent et exclusivement sur le parc français). Usuelle ment, on définit une surface caractéristique, dénommée « sous- canal », qui soit suffisamment petite pour représenter la physique mais compatible avec les capacités de modélisation et de simula tion numérique. Une telle surface, (illustrée à la figure 1 dans le cas d’assemblages de combustible à pas carré caractéristique des réacteurs à eau sous pression à l’exception des réacteurs de conception soviétique et des réacteurs à eau lourde) représente la surface comprise entre 4 crayons (sous-canal dit « typique ») ou 3 crayons et le tube-guide (sous-canal dit « tube-guide »). Figure 1 – Surface élémentaire dite « sous-canal » Sous-canal typique pas Sous-canal tybe guide La section de passage A et le périmètre mouillé dépendent du type de sous-canal considéré : – pour un sous-canal « typique » : – pour un sous-canal « tube-guide » : 1.2 Valeurs moyennes et maximales des paramètres Les caractéristiques de fonctionnement relatives au circuit pri maire définissent les paramètres moyens. À partir des valeurs moyennes, des valeurs maximales enveloppes sont estimées à l’aide de facteurs multiplicatifs établis en fonction du type de réac Exemple 1 Soient D = 9,5 mm et Dtg = 12,45 mm avec un pas de 12,6 mm. Surface de passage – sous canal « typique » : A = 87,88 mm2 – sous canal « tube-guide » : A = 75,16 mm2 Périmètre mouillé – sous canal « typique » : – sous canal « tube-guide » : Diamètre hydraulique – sous canal « typique » : Dh = 11,78 mm – sous canal « tube-guide » : Dh = 9,35 mm Pour un assemblage entier (carré de 214 mm de côté avec 264 crayons, 24 tubes-guide et un tube d’instrumentation de même diamètre), la surface de passage est de 0,02404 m2, le périmètre mouillé vaut 8,86 mètres ; ce qui donne un diamètre hydraulique équivalent de 10,86 mm. Parution : mars 2018 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200104319 - altran technologies france // matthieu MARTINELLI // 84.14.209.116 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200104319 - altran technologies france // matthieu MARTINELLI // 84.14.209.116 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200104319 - altran technologies france // matthieu MARTINELLI // 84.14.209.116 tiwekacontentpdf_bn3050 v2 Copyright © – Techniques de uploads/Litterature/ bn3050.pdf