Modélisation de phénomènes d'ébullition hétérogène en faisceau de crayons

Heterogeneous boiling modelling in fuel rod bundle

• Auteur / Autrice : Filippo Arlotti
• Direction : Nicolas Rimbert, Nathalie Seiler
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Énergie et Mécanique
• Date : Inscription en doctorat le 08/10/2023
• 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 ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LEMTA – Laboratoire Energies & Mécanique Théorique et Appliquée
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Groupe Milieux Fluides Rhéophysique

Mots clés

Mots clés libres

Thermohydraulique

Diphasique

Sous-canal

Système

Cfd

Modélisation

Thermal hydraulics

Two-phase Flow

Subchannel

System

Cfd

Modelling

Résumé

L'apparition d'une très forte ébullition locale au sein d'un faisceau vertical de crayons combustibles dans un coeur de réacteur à eau pressurisé, durant laquelle le reste du coeur reste noyé, peut constituer un enjeu de sûreté neutronique si ce réacteur est chargé avec des assemblages fortement enrichi en plutonium. Cette configuration bouillante très hétérogène n'a été identifiée que très récemment, et n'était jusque-là pas étudiée. De ce fait, il n'est pas assuré que les outils de calcul de thermohydraulique diphasique usuellement utilisés dans l'industrie nucléaire soient aptes à prédire correctement les échanges de masse latéraux au sein du faisceau ainsi que la condensation de la vapeur lors de son mélange avec l'eau liquide plus froide présente dans le faisceau. L'enjeu de cette thèse est de prendre en main des outils de modélisation thermohydraulique dotés d'échelles de modélisation différentes : l'outil de calcul système CATHARE3, et l'outil de calcul CFD NEPTUNE-CFD. Les méthodes de modélisation disponibles dans ces outils seront employées et comparées à un ensemble de résultats expérimentaux diphasiques. Un effort d'amélioration des modèles physiques utilisés par CATHARE3 sera réalisé afin d'améliorer sa prédictivité en écoulement diphasique hétérogène. Les résultats locaux de NEPTUNE-CFD, capable de réaliser des simulations à une échelle plus fine que celle de CATHARE3, pourront être employés pour compléter les modèles de CATHARE3 par remontée d'échelle. Les méthodes développées au cours de la thèse permettront de renforcer la prédictivité des outils de calcul diphasique en situation hétérogène, de fournir des recommandations pour d'éventuelles expériences futures, ainsi que de produire des cartes de densités qui sont requises lors d'études neutroniques de combustible.

The occurrence of a local intense boiling inside a vertical PWR's fuel rod bundle, while the rest of the core remains drowned, may challenge the reactor's safety when it is loaded with high-grade plutonium fuel. This heterogeneous configuration was identified recently in neutronic and thermal-hydraulic coupled studies, and is unusual. It is therefore required to make sure that the two-phase thermal-hydraulic simulation tools commonly involved in the nuclear industry are able to predict such a situation with an adequate fidelity. More precisely, questions arise about the prediction of cross-flows between the bundle's sub-channels and about the prediction of vapour condensation due to mixing phenomena between liquid subcooled water and vapour. This thesis aims at improving two thermal-hydraulic simulation tools, namely the system code CATHARE3 and the CFD product NEPTUNE-CFD. These tools' physical predictions will be compared to an experimental database. CATHARE3's physical modelling will be improved in order to increase its accuracy at predicting heterogeneous two-phase situations. NEPTUNE-CFD's locals results, which can be obtained at a finer scale than CATHARE3, will enrich CATHARE3's predictions using data upscaling. The methods developed in the frame of the thesis and the obtained results will improve physical simulation tools's predictivity. Recommendations for future experimental programs may be issued. Theses improved tools will produce water density maps that will be used for fuel neutronics assessment.