Modélisation de la formation et de la détente rapide d'une bulle polyphasique pour l'évaluation des conséquences d'un accident grave de RNR_Na

Formation and fast expansion modelling of polyphasic bubbles for the evaluation of SFR severe accident consequences

• Auteur / Autrice : Aude Mouly
• Direction : Michel Gradeck, Frédéric Bertrand, Nathalie Seiler
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie et mécanique
• Date : Soutenance le 13/12/2022
• 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 : Laurent Davoust
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Gradeck, Frédéric Bertrand, Nathalie Seiler, Jérôme Bellettre, Irina Panfilova, Delphine Gerardin, Pierre Ruyer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Davoust, Jérôme Bellettre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sodium liquide

Simulation, Méthodes de

Dilatation (thermodynamique)

Écoulement polyphasique

Accidents nucléaires

Réacteurs refroidis par métal liquide

Mots clés libres

Accident grave de réacteur

Génération 4

Écoulement polyphasique

Phase d'expansion

FCI

Severe reactor accident

4th Generation

Multiphase flows

Expansion phase

FCI

Résumé

Une nouvelle génération de réacteurs est aujourd'hui développée pour répondre aux enjeux économiques, environnementaux et sociétaux du 21e siècle. Parmi les différents concepts retenus pour créer cette quatrième génération, les réacteurs à neutrons rapides à caloporteur sodium (RNR-Na) sont étudiés dans le cadre de cette thèse. Ce sont les seuls réacteurs de quatrième génération présentant déjà un retour d'expérience considérable en France. Afin de répondre aux objectifs de sûreté de cette nouvelle génération, la démarche d'étude de sûreté doit être adaptée dès les phases de préconception et de conception afin d'y intégrer les accidents graves et ainsi identifier puis définir les moyens de limitation de leurs conséquences. Ces travaux de thèse se positionnent dans la dynamique des travaux effectués au CEA contribuant au développement de cette démarche de sûreté par l'étude et la modélisation de la phase d'expansion d'un accident grave en RNR-Na. L'objectif de la thèse est de réaliser un outil de calcul traitant des phénomènes physiques pertinents lorsqu'un bain fondu de matériaux est surchauffé par une excursion de puissance dans le cœur entraînant la formation et la détente rapide d'une bulle de vapeur de sodium et de matériaux surchauffés. Suite à l'étude détaillée de l'état de l'art des différentes phénoménologies présentes au cours de la phase d'expansion, des analyses dimensionnelles des processus physiques impliqués sont effectuées afin d'identifier ceux qui sont prépondérants. Sur la base de ces analyses, une modélisation est ensuite développée puis intégrée dans un outil de calcul, dont l'objet est de déterminer et de hiérarchiser l'ensemble des contributions aux chargements mécaniques de la cuve d'un RNR-Na en fonction des configurations accidentelles simulées. Une étape de validation de l'outil est réalisée au travers de tests à effets séparés, de tests globaux à l'aide de résultats d'expériences et de résultats de calculs issus d'autres codes de calcul validés. Enfin, des études de conception paramétriques sont menées afin de quantifier la variabilité des résultats par rapport aux choix de modélisation et aux incertitudes des scénarios et des données physiques.

A new generation of nuclear reactor is nowadays developed in order to take into account the economic, environmental and societal stakes of the 21th century. Among the different concepts taking part of the fourth generation, the sodium fast reactors (SFR) are studied in this PhD thesis. These reactors are the only ones of the fourth generation already having a considerable operating feedback in France.To achieve the safety objective of this new generation, the safety approach has to be adapted as soon as the reactor preconceptual and conceptual phases in order to integrate severe accidents, identify and define limitation ways as well as their consequences. This work, dedicated to the study and to the modelling of the expansion phase of a severe accident in SFR, is positioned in the CEA's work dynamic by contributing to the development of the safety approach. The goal of this PhD is to create a tool modelling the important physical phenomena induced by a power excursion in a molten material pool. This involves the formation of a vaporized sodium and molten material bubble and its subsequent expansion.After conducting detailed state of art of the different phenomena involved in the expansion phase, dimensional analysis of the physical processes is performed in order to identify the important ones. Based on this analysis, a model is developed and integrated into a tool, aiming at determining and prioritising the total phenomenon contributions to mechanical loadings on SFR vessel depending on the studied severe accident scenario. A validation step of the tool is then realised in two parts; Separate effect tests and global tests, using experimental results and calculation results obtained with other validated tools. Finally, preconceptual parametrical studies are performed to quantify the results variability due to modelling, scenarios and physical data uncertainties.