Expérimentation, modélisation et simulation de l'impact de gouttes d'eau sur le gainage gonflé des assemblages d'un coeur de REP en situation d'ARP

par Franck Lelong

Thèse de doctorat en Mécanique et énergétique

Sous la direction de Michel Gradeck et de Denis Maillet.

Le jury était composé de Michel Gradeck, Denis Maillet, Christophe Le Niliot, Catherine Colin, Nathalie Seiler, Benoît Stutz, Julio Cesar Passo.

Les rapporteurs étaient Christophe Le Niliot, Julio Cesar Passos.


  • Résumé

    Au cours d’un transitoire d’Accident de Perte de Réfrigérant Primaire (APRP), la vaporisation de l’eau dans la cuve d’un réacteur nucléaire conduit à l’assèchement et à l’augmentation de la température des crayons de combustible, à leur gonflement thermomécanique et à la rupture des gaines de ces crayons remplies de matériaux combustibles fragmentés. Ce gonflement peut être à l’origine d’un bouchage significatif d’une partie du coeur et compromettre ainsi son refroidissement lors de la phase de renoyage où l’eau injectée via les systèmes de sécurité pénètre dans le bas du coeur. Lors de cette phase de renoyage, la vaporisation importante de l’eau produit un fort débit de vapeur qui arrache et entraîne des gouttelettes dans les zones bouchées. L’enjeu de cette thèse est d’évaluer les capacités de refroidissement des crayons ballonnés par l’impact des gouttes d’eau. Pour ce faire, une étude expérimentale est réalisée au LEMTA de Nancy, afin de mesurer le flux de refroidissement d’un train de gouttes impactant une paroi chaude. L’influence des caractéristiques dynamiques des gouttes sur le flux échangé entre la goutte et la paroi est expérimentalement étudiée. Ces essais ont permis la réalisation d’une base de donnée permettant de valider un modèle de flux goutte/paroi Ce modèle d’échange goutte/paroi est réalisé à partir d’une modélisation des paramètres clefs gouvernant l’échange, à savoir, le diamètre d’étalement de la goutte sur la paroi, l’épaisseur de la couche de vapeur créée sous la goutte et le temps de séjour de la goutte sur la paroi. Ce modèle, validé expérimentalement, est intégré dans le code NEPTUNE_CFD dans le but de réaliser des simulations de refroidissement d’un assemblage de crayon, en phase de renoyage, en prenant en compte l’effet des gouttes impactantes

  • Titre traduit

    Droplet/wall heat transfer in Leidenfrost regime : experimental and analytical approaches


  • Résumé

    In a pressurized water reactor (PWR), during a Loss Of Coolant Accident (LOCA), liquid water evaporates and the fuel assemblies are not cooled anymore; as a consequence, the temperature rises to such an extent that some parts of the fuel assemblies can be deformed resulting in ’ballooned regions’. When reflooding occurs, the cooling of these partially blocked parts of the fuel assemblies will depend on the coolant flow that is a mixture of overheated vapour and undersaturated droplets. The aim of this thesis is to study the heat transfer between droplets and hot walls of the fuel rods. In this purpose, an experimental device has been designed in accordance with droplets and wall features (droplet velocity and diameter, wall temperature) representative of LOCA conditions. The cooling of a hot Nickel disk, previously heated by induction, is cooled down by a stream of monodispersed droplet. The rear face temperature profiles are measured by infrared thermography. Then, the estimation of wall heat flux is performed by an inverse conduction technique from these infrared images. The effect of droplet dynamical properties (diameter, velocity …) on the heat flux is studied. These experimental datas allow us to validate an analytical model of heat exchange between droplet and hot slab. This model is based on combined dynamical and thermal considerations. On the one hand, the droplet dynamics is considered through a spring analogy in order to evaluate the evolution of droplet features such as the spreading diameter when the droplet is squeezed over the hot surface. On the other hand, thermal parameters, such as the thickness of the vapour cushion beneath the droplet, are determined from an energy balance. In the short term, this model will be integrated in a CFD code (named NEPTUNE_CFD) to simulate the cooling of a reactor core during a LOCA, taking into account the droplet/wall heat exchange


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