Etude expérimentale des effets chimiques sur le colmatage d'un filtre en solutions en conditions APRP et AG

Experimental study of the chemical effects on the clogging of a filter in solutions under APRG and AG conditions.

• Auteur / Autrice : Mtoilibou abdallah Keymoon
• Direction : Marie-Odile Simonnot
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie des Procédés, des Produits et des Molécules
• Date : Inscription en doctorat le 26/09/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : SIMPPÉ - SCIENCES ET INGENIERIES DES MOLECULES, DES PRODUITS, DES PROCEDES ET DE L'ÉNERGIE
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LRGP - Laboratoire Réactions et Génie des Procédés
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Axe 1 - PERSEVAL - Procédés pour l'environnement, la sécurité et la valorisation des ressources

Mots clés

Mots clés libres

Colmatage de filtre

Effets chimiques

Perte de charge

Filter clogging

Chemical effects

Head loss

Résumé

Lors d'un accident de type APRP impliquant une brèche sur le circuit primaire d'un réacteur nucléaire, des débris sont générés par le jet de vapeur d'eau et peuvent être transportés jusqu'aux filtres RIS/EAS des puisards situés au fond de l'enceintre de confinement du réacteur. Ces débris peuvent contribuer au colmatage physique et potentiellement chimique de ces filtres. La contribution chimique correspond à la formation des précipités/gels au sein du lit fibreux augmentant le facteur colmatant. La formation de ces précipités résulte de la présence en solution d'ions suite à la dissolution partielle des débris (isolants, peinture et béton) et à la corrosion des surfaces métalliques. Ce phénomène peut entraîner une défaillance du système de recirculation pouvant conduire à un Accident Grave (AG) par défaut de refroidissement du cœur du réacteur. L'objectif de ce projet de recherche est d'étudier la nature des effets chimiques, les paramètres les conditionnant et leur impact sur la perte de charge des filtres de puisards en cas d'APRP et AG. Une méthodologie expérimentale a été développée en considérant deux échelles. Dans un premier temps, l'étude s'est focalisée sur des essais à petite échelle (~ 1L). Des essais de dissolution des débris générés dans les puisards ont été réalisés (conditions EPR et REP 1300 MWe). Ces essais ont permis d'estimer la quantité des espèces considérée (calcium, silicium et zinc) relâchée à l'échelle du réacteur à 80°C sur 72h (matrice H3BO3/NaOH à pH ~7). D'après les premiers résultats, il apparaît que la quantité de silicium émise par les débris (principalement les fibres minérales) est plus importante que la quantité de calcium et de zinc. Ces résultats vont permettre de réaliser des essais avec des solutions modèles afin d'étudier les effets chimiques en situation d'APRP. Des éléments complémentaires viendront compléter cette étude, comme le fer et le césium (en cas d'AG). Les résultats de ces essais seront couplés à une approche thermodynamique grâce à des outils de calcul de type géochimique (CHESS/PHREEQC). Des essais à moyenne échelle menés sur le dispositif COPIN (COlmatage des Puisards dans l'Industrie Nucléaire) ont mis en évidence l'influence de la composition de la solution sur la perte de charge, en particulier dans la matrice contenant du borax. Les résultats montrent que la précipitation joue un rôle déterminant, avec une augmentation notable de la perte de charge en présence de zinc.

In the event of an LOCA-type accident involving a breach in the primary circuit of a nuclear reactor, debris is generated by the water vapor jet and can be transported to the RIS/EAS sump filters located at the bottom of the reactor's containment building. This debris can contribute to both physical and potentially chemical clogging of these filters. The chemical contribution corresponds to the formation of precipitates/gels within the fibrous bed, increasing the clogging factor. The formation of these precipitates results from the presence of ions in solution, following the partial dissolution of debris (insulation, paint, and concrete) and the corrosion of metallic surfaces. This phenomenon can lead to a failure of the recirculation system, potentially resulting in a Severe Accident (SA) due to the failure to cool the reactor core. The objective of this research project is to study the nature of the chemical effects, the parameters that condition them, and their impact on the pressure loss of sump filters in the event of an APRP and SA. An experimental methodology was developed considering two scales. First, the study focused on small-scale tests (~1L). Dissolution tests of the debris generated in the sumps were carried out (EPR and 1300 MWe PWR conditions). These tests made it possible to estimate the quantity of the species considered (calcium, silicon, and zinc) released at the reactor scale at 80°C over 72 hours (H3BO3/NaOH matrix at pH ~7). According to the initial results, it appears that the amount of silicon released by the debris (mainly mineral fibers) is greater than the amount of calcium and zinc. These results will allow for tests with model solutions to study the chemical effects in an APRP situation. Additional elements will complement this study, such as iron and cesium (in the event of an SA). The results of these tests will be coupled with a thermodynamic approach using geochemical calculation tools (CHESS/PHREEQC). Medium-scale tests carried out on the COPIN device (COlmatage des Puisards dans l'Industrie Nucléaire) have highlighted the influence of solution composition on head loss, particularly in borax-containing matrices. The results show that precipitation plays a decisive role, with a significant increase in head loss in the presence of zinc.