Contribution to the multi-physical analysis of the risk of recriticality of corium during severe accident in a PWR reactor
Contribution à l’évaluation multi-physique du risque de retour en criticité du corium en cas d’accident grave dans un réacteur de type REP
Résumé
Following the Fukushima accident, the subject of a possible risk of criticality of corium has been the subject of renewed interest. In a severe accident, the fuel - if not cooled in time - will eventually melt and form a mixture called corium. This mixture can puncture the vessel and spill into the vessel pit. If water is sprayed on, the corium will fragment into small debris (median size observed in FARO experiments ≈ 3 mm). Under certain conditions (porosity, liquid water presence rate) the debris bed can reach criticality. The energy released during a reactivity transient must be estimated in order to evaluate the consequences of such an event.The objective of this thesis is to broaden the knowledge on the criticality of debris beds and to propose a methodology to evaluate the energy deposited in case of a return to criticality.The evaluation of the deposited energy requires that all the physical aspects (neutron and thermal-hydraulic) be simulated in transient regime, which implies very time-consuming numerical simulations. One of the objectives of this work was therefore the search for the optimization of the calculation time (in this thesis through the use of meta-models).Concerning the neutron behaviour, simulated using the APOLLO2 or TRIPOLI-4 codes or via condensed descriptions of "kinetic point" type, the thesis work also focused on the use of random geometries and the possibility to model the size distribution of debris by a "representative" debris size. The use of a 2D mesh (R, Z) to describe the debris bed allows a finer evaluation of the counter-reactions (Doppler and moderator effects) and thus of the energy deposited during the transient simulation.Concerning thermo-hydraulics, a thermal diffusion model has been developed to obtain the temperature within the debris and a multiphase simulation code (liquid water, steam water, debris) MC3D has been selected to simulate the thermo-hydraulic state of the debris bed (temperature and void rate fields).The implementation of a coupling of the disciplines mentioned above made it possible to study the criticality risk as a function of the residual power produced by the corium, or to evaluate the energy deposited in a representative configuration of a debris bed.
Suite à l’accident de Fukushima, le sujet d’un éventuel risque de criticité du corium a connu un regain d’intérêt. Lors d’un accident grave, le combustible – s’il n’est pas refroidi à temps – va finir par fondre et former un mélange appelé corium. Celui-ci peut percer la cuve et se déverser dans le puit de cuve. En cas d’aspersion d’eau, le corium va se fragmenter en débris de petite taille (taille médiane observée lors des expériences FARO ≈ 3 mm). Sous certaines conditions (de porosité, de taux de présence en eau liquide) le lit de débris constitué peut atteindre la criticité. L’évaluation de l’énergie relâchée lors d’un transitoire de réactivité doit être estimée afin d’évaluer les conséquences d’un tel événement.L’objectif de cette thèse est d’élargir les connaissances sur la criticité des lits de débris et de proposer une méthodologie permettant l’évaluation de l’énergie déposée en cas de retour en criticité.L’évaluation de l’énergie déposée demande à ce que tous les aspects physiques (neutroniques et thermo-hydrauliques) soient simulés en régime transitoire, ce qui implique des simulations numériques très gourmandes en temps de calcul. Un des objectifs de ce travail a donc été la recherche de l’optimisation du temps de calcul (dans cette thèse via l’utilisation de méta-modèles).Concernant le comportement neutronique, simulé à l’aide des codes APOLLO2 ou TRIPOLI-4 ou encore via des descriptions condensées de type « cinétique point », les travaux de thèse ont porté également sur l’utilisation des géométries aléatoires et la possibilité de modéliser la distribution de la taille des débris par une taille « représentative » de débris. L’utilisation d’un maillage 2D (R, Z) pour décrire le lit de débris permet une évaluation plus fine des contre-réactions (effets Doppler et modérateur) et donc de l’énergie déposée lors de la simulation de transitoire.Au sujet de la thermo-hydraulique, un modèle de diffusion thermique a été développé pour obtenir la température au sein même des débris et un code de simulation multiphasique (eau liquide, eau vapeur, débris) MC3D a été sélectionné pour simuler l’état thermo-hydraulique du lit de débris (les champs de température et de taux de vide).La mise en œuvre d’un couplage des disciplines évoquées précédemment a permis l’étude du risque de criticité en fonction de la puissance résiduelle produite par le corium, ou encore l’évaluation de l’énergie déposée dans une configuration représentative d’un lit de débris.
Origine : Version validée par le jury (STAR)