Analyse des effets d'échelle sur le comportement thermo-hydraulique de jets impactants

Scale effects analysis on the thermo-hydraulic behaviour of impinging jets

• Auteur / Autrice : Benjamin Jourdy
• Direction : Michel Gradeck, Alexandre Labergue, Nathalie Seiler
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie et Mécanique
• Date : Soutenance le 09/05/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique et de mécanique théorique et appliquée (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Christel Métivier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Gradeck, Nathalie Seiler, Laurent Lacaze, Laurent David, Sofia Carnevali
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Lacaze, Laurent David

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réacteurs à neutrons rapides

Réacteurs refroidis par métal liquide

Jets (physique nucléaire)

Lois d'échelle (physique)

Thermohydraulique

Mots clés libres

Thermohydraulique

Effets d'échelle

Jets impactant

RNR-Na

Astrid

Thermohydraulic

Scale effects

Impinging jets

SFR

Astrid

Résumé

Les études de sureté et les modélisations numériques mises en œuvre dans le cadre des études sur les réacteurs à neutrons rapides (RNR) impliquent un besoin de validation des codes de calcul à l'aide de maquettes représentatives. Un enjeu de sûreté identifié dans ce type de réacteur est le redressement du jet radial issu de l'impact des jets chauds du cœur sur le Bouchon Couvercle Cœur (BCC). Le redressement induit des fluctuations thermiques et une stratification thermique dans le plénum supérieur provoquant de la fatigue thermique sur les composants. Comprendre les divers mécanismes en œuvre dans le phénomène de redressement du jet radial est nécessaire dans le but d'être prédictif sur les conditions opératoires pour lesquelles ce redressement intervient. Dans ce but, on utilise la maquette MICAS qui reproduit géométriquement à l'échelle 1/6 le plénum supérieur du réacteur ASTRID, en utilisant de l'eau comme fluide simulant à la place du sodium. Pour valider les codes simulant ASTRID, la représentativité de la maquette MICAS doit être validée vis-à-vis de son échelle réduite mais également de son fluide simulant. Afin d'étudier la transposition du redressement du jet entre différentes échelles, une méthode d'analyse d'effets d'échelle est introduite ; elle se base sur trois maquettes d'échelles géométriquement différentes mais représentatives du réacteur. Une étude phénoménologique est réalisée sur une maquette simplifiée, PIGNIA, permettant de vérifier expérimentalement la dépendance théorique de la trajectoire du jet envers le nombre de Froude densimétrique du jet radial FrD(rad) et justifiant sa conservation comme critère de similitude pour la transposition du redressement du jet. Une fonction de transfert permettant de relier les conditions du jet radial aux conditions en sortie de buse est établie théoriquement et validée expérimentalement. Pour obtenir une valeur critique du FrD(rad) en géométrie représentative, des essais sont réalisés sur la maquette MICAS. En se basant sur les conditions expérimentales de MICAS menant au redressement du jet, deux maquettes représentatives sont dimensionnées : MOJIT-Eau et MOJI/4, respectivement aux échelles 1/2,5 et 1/4 relativement à MICAS. Une étude de l'écoulement en conditions isothermes sur les maquettes MOJIT-Eau et MOJI/4 met en évidence un attachement du jet radial à la surface du cœur, appelé effet Coanda. Cet effet ne dépend que des grandeurs géométriques du système. Une étude thermo-hydraulique est enfin mise en place afin de vérifier les conditions d'extrapolation du phénomène de redressement. Un comportement binaire est observé sur le redressement du jet, qui est soit attaché et longe le cœur, soit détaché et se redresse dans le plénum. L'effet Coanda joue un rôle de premier plan sur la stabilité du jet. Le nombre de Froude densimétrique seul ne permet pas de caractériser ce phénomène qui se produit sur MICAS. Un nouveau nombre adimensionnel L, représentant la compétition entre les effets d'inertie, de flottabilité et l'effet Coanda, est alors défini. Ce nombre permet d'assurer correctement la transposition du détachement et donc du redressement entre MICAS, MOJIT-Eau et MOJI/4. Les conditions attendues sur ASTRID par la conservation de ce nombre permettent d'étudier la distorsion de la similitude eau-sodium sur les échanges thermiques. L'eau est alors vérifiée comme un choix pertinent pour la représentativité de maquettes petites échelles vis-à-vis d'ASTRID en retrouvant le nombre de Péclet (représentant les modes d'échanges thermiques) du réacteur : le changement de fluide corrige le changement d'échelle sur ces aspects.

Safety studies and numerical modelling implemented within the framework of studies on fast neutron reactors imply a need for validation of calculation codes using representative mock-ups. A safety issue identified in this type of reactor is the rise of the radial jet resulting from the impact of hot jets from the core to the Upper Core Structure (UCS). This rise induces thermal fluctuations and thermal stratification in the upper plenum causing thermal fatigue on the components. Understanding the various mechanisms at work in the phenomenon of radial jet raising is necessary in order to be predictive about the operating conditions for which this phenomenon occurs. For this purpose, the MICAS mock-up is used, which geometrically reproduces the upper plenum of the ASTRID reactor on a 1/6 scale, using water as a simulating fluid instead of sodium. In order to validate the ASTRID simulation codes, the representativeness of the MICAS mock-up must be validated with respect to its reduced scale but also to its simulating fluid. In order to study the transposition of the jet behaviour between different scales, a method of scale effects analysis is introduced, based on three mock-ups at different scales but representative of the reactor. A phenomenological study is carried out on a simplified model, PIGNIA, allowing to verify experimentally the theoretical dependence of the trajectory of the jet on the densimetric Froude number of the radial jet, justifying its conservation as a similarity parameter for the transposition of the jet behaviour. A transfer function to relate the radial jet conditions to the nozzle outlet conditions is established theoretically and validated experimentally. To obtain a critical value of the densimetric Froude number in representative geometry, tests are performed on the MICAS model. Based on the experimental conditions of MICAS leading to the rise of the jet, two representative mock-ups are sized: MOJIT-Eau and MOJI/4, respectively at scales 1/2,5 and 1/4 relative to MICAS. A study of the flow under isothermal conditions on the MOJIT-Eau and MOJI/4 mock-ups shows an attachment of the radial jet to the surface of the core, due to Coanda effect. This effect depends only on the geometrical quantities of the system. A thermal-hydraulic study is finally carried out to verify the conditions of extrapolation of the recovery phenomenon. A binary behaviour is observed on the rise of the jet, which is either attached and runs along the core or detached and rises in the plenum. The Coanda effect plays a major role on the stability of the jet. The densimetric Froude number alone is not sufficient to characterize this phenomenon, which occurs on MICAS. A new dimensionless number L, representing the competition between inertia, buoyancy and Coanda effects, is then defined. This number allows for the correct transposition of the detachment and thus the rise of the jet between MICAS, MOJIT-Eau and MOJI/4. The conditions expected on ASTRID by the conservation of this number allow to study the distortion of the water-sodium similarity on the heat exchanges. Water is then verified as a relevant choice for the representativeness of small-scale mock-ups with respect to ASTRID by estimating the Péclet number (representing the heat exchange modes) of the reactor: the change of fluid corrects the change of scale on these aspects.