Modélisation d'écoulements diphasiques gaz-liquide dans une fissure tortueuse avec prise en compte de la condensation de vapeur

par Germain Davy

Projet de thèse en Mécanique des fluides

Sous la direction de Stéphane Vincent.

Thèses en préparation à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec MSME - Laboratoire de Modélisation et Simulation Multi Echelle (laboratoire) et de Equipe Transferts de Chaleur et de Matière (TCM) (equipe de recherche) depuis le 02-01-2019 .


  • Résumé

    Thèse CIFRE EDF R&D - Contexte : sûreté et pérennité du parc nucléaire français L'enceinte de confinement interne d'un réacteur nucléaire de type REP (Réacteur à Eau Pressurisée) est une structure en béton armé et précontraint. Il s'agit d'un élément essentiel à la sûreté de l'installation, qui doit assurer un rôle d'étanchéité en situation accidentelle afin d'éviter que des produits de fission ne s'échappent à l'extérieur. De tels produits peuvent être libérés dans l'enceinte suite à un accident de type APRP (Accident par Perte de Réfrigérant Primaire). Lors d'un tel accident, les parois de l'enceinte sont soumises à de fortes sollicitations thermomécaniques car la pression et la température sont élevées. Ces sollicitations conduisent à l'apparition de fissures dans les parois qui remettent en question l'étanchéité de l'enceinte. L'Autorité de Sûreté Nucléaire impose de vérifier l'étanchéité de l'enceinte de façon périodique. Ainsi, tous les 10 ans, elle est soumise à un test de gonflement en air. Cependant, ce test est contraignant dans la mesure où il contribue à endommager l'enceinte en ouvrant davantage les fissures existantes ou en en créant de nouvelles. De plus, il n'est réalisé qu'avec de l'air à température ambiante alors qu'un accident de type APRP est caractérisé par la présence d'air et de vapeur à température élevée. Actuellement, le critère d'essai utilisé considère équivalentes la fuite en APRP et celle obtenue pendant l'épreuve (coefficient de transposition égal à un). Afin de mieux maîtriser ses marges, EDF cherche à calculer la valeur du coefficient de transposition. Dans le cas d'un accident de type APRP, une grande quantité de vapeur et d'hydrogène (dans une moindre mesure) est relâchée dans l'enceinte et la pression et la température augmentent. La vapeur se condense sur les parois de l'enceinte et peut s'infiltrer à l'intérieur des fissures dont l'ouverture est de l'ordre de 10 à 100 micromètres. Par ailleurs, la vapeur contenue dans le gaz présent à l'intérieur de ces dernières peut également se condenser, cédant ainsi de la chaleur aux parois. Par dilatation, les fissures peuvent alors partiellement se refermer, ceci ayant pour effet de réduire la valeur du débit de fuite. A l'intérieur d'une fissure, si le débit d'eau est suffisamment faible, on s'attend à ce que l'écoulement soit de type annulaire avec le gaz circulant au milieu et l'eau concentrée sous forme d'une couche fine sur les parois. Au delà d'une certaine valeur de débit d'eau, la couche devient instable et donne naissance à un mécanisme de snap-off avec formation de ponts capillaires. Le gaz doit alors vaincre les forces capillaires pour circuler jusqu'à la sortie de la fissure et ainsi s'échapper de l'enceinte. La mécanique des solides ne permet pas à elle seule de répondre au problème de la fuite de gaz à travers l'enceinte. Les phénomènes physiques complexes décrits précédemment qui interviennent dans les fissures nécessitent de faire appel à la mécanique des fluides (diphasique). Les premiers modèles développés pour tenter de décrire ces phénomènes sont des modèles 1D avec hypothèse de fluide homogène. Cependant, ces modèles ne permettent qu'une description physique sommaire du problème. En particulier, la présence de ponts capillaires ne peut pas être prise en compte. Par ailleurs, la tortuosité des fissures n'y est pas explicitement modélisée (elle est prise en compte par des lois de comportement fluide empiriques). Des modèles multichamps 2D/3D basés sur une description physique plus fine du problème doivent être développés. Afin de prendre en compte les aspects thermomécaniques (refermeture des fissures), l'idéal serait de parvenir à les coupler à un code éléments finis thermomécanique. Ces deux points constituent les objectifs principaux de la thèse. Le code utilisé sera le code multiphasique NEPTUNE_CFD d'EDF R&D.

  • Titre traduit

    Gas-liquid two-phase flows modelling in a tortuous crack with consideration for steam condensation


  • Résumé

    EDF R&D CIFRE PhD thesis - Context : safety and sustainability of French nuclear power plants The inner containment building of a Pressurized Water Reactor (PWR) is a reinforced and prestressed concrete structure. It is an essential component for the safety of the nuclear installation and it has to be airtight in case of an accident in order to prevent fission products leakage. Indeed, fission products can be released in the building in the event of a Loss of Coolant Accident (LOCA). During such an accident, the containment walls are subjected to high thermo-mechanical loads because of the high pressure and temperature levels. These loads are responsible for the emergence of cracks which can threaten the containment airtightness. According to the Autorité de Sûreté Nucléaire (english: Nuclear Safety Authority), the containment building airtightness needs to be tested periodically. That is why EDF tests it every ten years. The test consists in putting the building under pressure, using air. However, this test contributes to damage the building by opening existing cracks or by creating new ones. Moreover, it uses air at ambient temperature whereas a LOCA is characterized by the presence of air and steam at high temperature. Currently, the leakage rate obtained in the event of a LOCA is considered to be equivalent to the leakage rate obtained during the test (transposition coefficient equal to one). In order to improve its margins, EDF would like to calculate the transposition coefficient value. In the event of a LOCA, a large amount of steam and hydrogen is released in the containment building, which leads to a pressure and temperature increase. The steam condensates on the building walls and can infiltrate inside the cracks whose size is about 10-100 micrometers. Furthermore, the steam contained in the gas which is inside the cracks can also condensate. Heat corresponding to the latent heat of condensation is absorbed by the walls. Due to dilatation, the cracks tend to close and thus the leakage rate is reduced. Inside a crack, if the water flow rate is small enough, we expect the flow to be in an annular regime with the gas located in the middle and the water located at the walls, forming a thin layer. For higher water flow rates, this thin layer becomes unstable and is responsible for a snap-off mechanism in which capillary bridges can form. Therefore, the gas needs to overcome the capillary forces to go out of the containment building. Solid mechanics is not able to answer the problem of gas leakage through the containment building alone. Complex physical phenomena previously described which take place in the cracks require the use of (multiphase) fluid mechanics. The first models developed in order to describe these phenomena are based on a 1D homogeneous approach. However, they only allow a basic physical description of the problem. In particular, the presence of the capillary bridges cannot be taken into account. Moreover, the cracks' tortuosity is not explicitly modelled (it is taken into account by empiric laws). Multi-fields 2D/3D models based on a finer physical description of the problem need to be developed. In order to take into account the thermo-mechanical aspects (cracks closing), the best would be to couple them to a thermo-mechanical finite element code. These two points constitute the two main thesis issues. The EDF in-house code NEPTUNE_CFD dedicated to multiphase flows will be used.