Modeling of the acoustic boiling noise of sodium during an assembly blockage in sodium-cooled reactors

• Auteur / Autrice : Matthias Vanderhaegen
• Direction : Arnaud Tourin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matière condensée et interfaces
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Appareils et instruments scientifiques

Bulles -- Dynamique

Sodium

Ébullition

Accidents nucléaires

Acoustique

Résumé

Dans le cadre des exigences de sûreté de GEN4, la détection acoustique de l'ébullition est étudiée pour détecter des bouchages d'assemblage. L'ébullition, qui peut intervenir lors des bouchages et qui peut endommager la gaine, génère du bruit hydrodynamique lié à l'écoulement diphasique. Une étude de la dynamique des bulles a démontré que la source principale du bruit acoustique lors de l'ébullition du sodium en assemblage est la condensation. Elle est le phénomène le plus bruyant à cause de la forte sous-saturation possible en assemblage et de la grande diffusivité thermique du sodium. Ce résultat permet de construire la forme du spectre acoustique qui sera filtré et amplifié par la structure pendant sa propagation dans le milieu liquide. Et même si une analyse thermohydraulique indique qu'un écoulement à bulles est peu probable en assemblage, du fait du profil de température très graduel dans le liquide et de la géométrie qui confine la vapeur, l'approche de la dynamique des bulles nous permet de comprendre les résultats d'anciennes expériences. En outre, elle nous permet de réfuter certaines hypothèses. Une simple expérience en eau a validé ces idées théoriques ; elle a montré qu'une simple expérience en sodium ne donnera pas une connaissance plus profonde de la source acoustique. Une analyse théorique de similitude révèle aussi qu'une expérience réaliste avec un fluide stimulant, comme l'eau ou le mercure, n'est pas représentative. Une conclusion similaire est obtenue en étudiant la cavitation comme source acoustique simulante. La détection acoustique d'ébullition, vis-à-vis d'autres systèmes, n'est donc pas encore mature pour l'application en tant que système de sûreté.

In the framework of the fourth generation of nuclear reactors safety requirements, the acous¬tic boiling detection is studied to detect subassembly blockages. Boiling, that might occur during subassembly blockages and that can lead to clad failure, génerates hydrodynamic noise that can be related to the two-phase flow. A bubble dynamics study shows that the sound source during subassembly boiling is condensation. This particular phenomenon generates most noise as a high subcooling is present in the subassembly and because of the high thermal diffusivity of sodium. This result leads to an estimate of the form of the acous¬tic spectrum that will be filtered and amplified during propagation inside the liquid. And even though it is unlikely that bubbles will be present inside the subassembly, due to the very graduai temperature profile at the wall and due to the geometry that leads to a strong confinement of the vapor, the historical bubble dynamics approach gives some insight in previous measurements. Additionnaly, some hypotheses can be disproved. These theoretical ideas are validated with a small water experiment, yet it also shows that a simple experience in sodium doesn't lead to a better knowledge of the acoustic source. A theoretical analysis also revealed that a realistic experiment with a simulant fluid, such as water or mercury, isn't representative. A similar conclusion is obtained when study¬ing cavitation as a simulant acoustic source. As such, the acoustic detection of boiling, in comparison with other detection systems, isn't sufficiently developed yet to be applied as a reactor protective system.