Modèle de brèche dynamique réaliste pour les ruptures de tuyauteries à haute énergie

Realistic dynamical breach model for high energy line break

• Auteur / Autrice : Amalio Coron
• Direction : Philippe Lafon, Claude Stolz
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des solides et des structures
• Date : Inscription en doctorat le 01/02/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IMSIA - Institut des Sciences de la Mécanique et Applications Industrielles
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Dynamique des structures et des fluides et acoustique
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay

Mots clés

Mots clés libres

Rupture de conduite

Sûreté nucléaire

Interaction fluide structure

Dynamique explicite

Modèle filaire

Méthode de frontière immergée

Pipe break/fracture

Nuclear safety

Fluid–structure interaction

Explicit Dynamics

1D model

Immersed boundary method

Résumé

La rupture de tuyauteries à haute énergie, notamment celles du circuit primaire des centrales nucléaires à eau pressurisée, est un des scénarios hypothétiques d'accidents de sûreté constamment étudiés à EDF pour démontrer la sûreté de ses installations de production. Le scénario d'APRP (Accident de Perte de Réfrigérant Primaire) qui suppose une brèche dans le circuit primaire se caractérise en premier lieu par la génération d'une onde de dépressurisation dans le circuit. Cette onde peut ainsi se propager jusqu'aux composants internes à la cuve du réacteur et engendrer des chargements mécaniques sur ces éléments pouvant potentiellement mettre en jeu leur intégrité. L'estimation réaliste de ces chargements par le calcul nécessite des modélisations adaptées et robustes, associées à des hypothèses suffisamment « enveloppes » pour fournir des résultats conservatifs par rapport à la tenue mécanique des structures et à l'intégrité globale de l'installation. Dans le cas de l'APRP et plus généralement dans le cas des ruptures de tuyauteries à haute énergie, les comportements de la structure, du fluide, et plus particulièrement leur interaction ne sont pas bien connus durant les phases d'initiation et d'ouverture de la brèche. C'est pourquoi des hypothèses « enveloppes » ont été introduites pour rester conservatif vis-à-vis des chargements mécaniques induits. Dans les scénarios accidentels de sûreté, la rupture est ainsi supposée circonférentielle et totale et on définit a priori le temps d'ouverture et l'aire de la brèche conduisant au concept de brèches dites « conventionnelles ». Ce modèle de brèche est ainsi utilisé dans les outils de calcul dédiés à ces problématiques tel que le code de Dynamique Rapide EUROPLEXUS, permettant la représentation des circuits de tuyauteries complexes et la conduite des études industrielles de sureté.

High-energy line breaks (HELB), especially on the primary circuit in nuclear pressurized water reactors, are a hypothetical safety accident scenario continuously studied by EDF to demonstrate the safety of their power plants. The Loss-of-Coolant Accident (LOCA), which supposes a breach in the primary circuit, is characterized by an initial depressurization wave in the coolant loop. This wave can propagate up the line to the internal components of the reactor vessel and lead to mechanical loadings that could put their integrity at stake. The realistic assessment of those mechanical solicitations by computation requires suitable and reliable models that include the appropriate safety margins. Their goal is to provide conservative results for the safety of the mechanical structure and its internal elements as well as the global integrity of the plant. The individual and coupled behavior of the fluid and the structure during the initial and opening phases of the breach are not well known in the case of a loss-of-coolant accident or high-energy line break. This is the reason safety margins and penalizing approaches were introduced to achieve conservative results for the induced mechanical loading. In the current safety accident scenario, the line break is supposed to be circumferential and complete with a defined opening time and breach area, which defines the conventional breach model for the industry. This conventional breach model is used in computational tools dedicated to such problems, such as the fast transient dynamic code EUROPLEXUS. It is implemented in the 1D mechanical solver used to perform industrial studies on complex piping systems. The goal of the research is to improve the understanding of the physical phenomena at stake and to develop new numerical models that can be implemented in industrial computational tools. Indeed, penalizing and safety-first approaches, such as the conventional breach model, are great for demonstrating the safety of the plants, but they mask the physical reality of the phenomenon. A better understanding could lead to a more physics-based safety approach and better management of the plant's safety margins during construction and operation.