Etude de l'empoisonnement des recombineurs auto-catalytiques passifs

Investigation of catalyst deactivation in passive autocatalytic recombiners

• Auteur / Autrice : Gabriela Senra Pessanha Rios Nobrega
• Direction : Nabiha Chaumeix, Ahmed Bentaïb
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance le 25/10/2022
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de combustion aérothermique réactivité et environnement (Orléans, Loiret ; 2007-...)
• Partenaire(s) de recherche : Institution : Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN) (Fontenay-aux-Roses ; 2002-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement privé : Forschungszentrum (Jülich, Allemagne)
• Jury : Président / Présidente : Frédérique Battin-Leclerc
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ernst-Arndt Reinecke, Pascale Domingo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gonzalo Jimenez, Luis Fernando Figueira da Silva

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Hydrogène

Catalyseurs -- Empoisonnement

Réacteurs nucléaires -- Confinement

Réacteurs nucléaires -- Mesures de sécurité

Mots clés libres

Recombineurs auto-catalytiques passifs

Accidents graves

Projet AMHYCO

Passive autocatalylic recombiners

Severe accidents

European AMHYCO project

Résumé

En cas d'accident de fusion du cœur, les gaz inflammables (hydrogène et monoxyde de carbone), issus de l'oxydation du cœur et de l'interaction du cœur fondu et le béton, peuvent atteindre des concentrations élevées pouvant provoquer des explosions susceptibles de menacer l’intégrité de l’enceinte de confinement ainsi que les équipements nécessaires pour la gestion de l’accident. Afin d'atténuer le risque lié à l'hydrogène, des recombineurs autocatalytiques passifs ont été installés dans de nombreuses centrales nucléaires. Les recombineurs sont des dispositifs qui visent à recombiner l'hydrogène par une réaction catalytique exothermique. En fonctionnement normal et en cas de scénario accidentel, ces dispositifs peuvent être exposés à divers composés volatils, gaz et aérosols présents dans l'atmosphère de l'enceinte de confinement qui peuvent provoquer une désactivation du catalyseur induisant alors un retard dans le démarrage de la recombinaison et une réduction de l'efficacité du recombineur. Cette thèse a pour objectif de caractériser les conditions de désactivation du catalyseur dans les recombineurs par différents produits. Elle vise également à améliorer les modèles mis en œuvre dans les outils numériques utilisés pour l'analyse de sûreté. Pour mieux comprendre le comportement des RAP et les mécanismes d'empoisonnement, des expériences ont été réalisées dans les installations REKO au Forschungszentrum Juelich,en Allemagne. Les campagnes expérimentales ont été dédiées aux trois produits d'empoisonnement potentiels: le monoxyde de carbone, les produits de combustion des incendies de câbles et l'huile utilisée dans les pompes primaires des centrales nucléaires. Les essais d'empoisonnement au monoxyde de carbone ont été analysés à l'aide du code SPARK, un code CFD dédié aux simulations numériques de recombinateurs catalytiques développé à l'IRSN. L'impact du monoxyde de carbone a été étudié avec des mélanges H2/CO/air. Les résultats montrent que les conditions d'empoisonnement dépendent de la fraction molaire de monoxyde de carbone, de la fraction molaire d'oxygène et de la température du catalyseur. Afin de mieux comprendre comment les produits des feux de câbles affectent le démarrage de la réaction de recombinaison, des expériences ont été réalisées. La campagne expérimentale a permis de conclure que la présence de monoxyde de carbone et le dépôt de particules dû à la pyrolyse des câbles sont les principaux mécanismes d'empoisonnement. Les essais réalisés avec des plaques catalytiques en platine, recouvertes partiellement ou totalement d’huile, montrent que la présence d’un film d’huile bloque les sites actifs du catalyseur, mais que la capacité de recombinaison peut être restaurée par évaporation de l’huile si une réaction de recombinaison est amorcée par une plaque voisine non recouverte d’huile. Les simulations réalisées avec SPARK montrent que le code est capable de prédire la désactivation par le monoxyde de carbone en bon accord avec les résultats expérimentaux. Ces expériences fournissent des données pour l'amélioration des codes numériques dans le cadre du projet AMHYCO.

In case of a core melt accident, flammable gases (hydrogen and carbon monoxide), issued from core oxidation and from molten concrete core interaction, might reach high concentrations inside the containment and lead to explosions that threaten its integrity as well as the equipment used for safety management. In order to mitigate the hydrogen risk, passive autocatalytic recombiners have been installed in many nuclear power plants. Recombiners are devices that aim to recombine hydrogen through an exothermic catalytic reaction. During normal operation and accidental scenario, these devices can be exposed to various volatile compounds, gases and aerosols present in the atmosphere of the containment that may cause catalyst deactivation inducing then delay in recombination start-up and reduction of the efficiency. This thesis aims at characterizing the conditions of deactivation of catalyst inrecombiners by different products. It also aims to improve the models implemented in numerical tools used forsafety analysis. To better understand the behaviour of PARs and the deactivating mechanisms, experiments wereperformed at the REKO facilities at Forschungszentrum Juelich, Germany. The experiments focused on three potential deactivating products: carbon monoxide, combustion products from cable fires and oil used in the primary pumps in NPPs. Results were analyzed using the SPARK code, a CFD code dedicated to the numerical simulations of catalytic recombiners developed at IRSN, for CO tests. The impact of carbon monoxide was investigated withH2/CO/air mixtures. The experiments reveal that the poisoning conditions depend on carbon monoxide molarfraction, oxygen molar fraction and the catalyst temperature. The experimental campaign performed to further understand how products of cable fires influence the start of the recombination reaction leads to the conclusion that the presence of carbon monoxide and the particles deposition due to cables pyrolysis are the main mechanisms of deactivation. The tests carried out with platinum catalytic plates, partially or totally covered with oil,show that the presence of a film of oil blocks the active sites of the catalyst, but that the recombination capacitycan be restored by evaporation of the oil if a recombination reaction is initiated by a neighboring plate not coveredwith oil. The simulations performed with SPARK show that the code is able to predict the deactivation by carbon monoxide in a good agreement with the experimental results. These experiments provide data for the further enhancement of numerical codes in the framework of the European AMHYCO project.