Modélisation du comportement physico-chimique des pollutions dans le circuit secondaire des réacteurs nucléaires

Modeling of the physico-chemical behavior of pollutions in the secondary circuit of nuclear reactors

• Auteur / Autrice : Thibault Vital
• Direction : Pascal Omnes, Marion Roy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 15/12/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale INTERFACES : approches interdisciplinaires, fondements, applications et innovation
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service d’étude du comportement des radionucléides (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Hervé Muhr
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Clarisse Mariet, Christian Jallut, Quang Huy Tran, Céline Houriez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Clarisse Mariet, Christian Jallut

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermodynamique

Complexation

Réacteurs à eau sous pression

Mots clés libres

Modélisation chimie-transport

Séquestration

Cuivre

Thermodynamique

Chemistry-transport model

Hideout

Copper

Thermodynamics

Résumé

Dans le circuit secondaire d'un REP, certains phénomènes comme la séquestration peuvent entraîner une dégradation des conditions physico-chimiques en présence, et donc un risque de rupture de la deuxième barrière, notamment par corrosion des matériaux. La séquestration désigne l'augmentation de concentration, due à l'ébullition, des espèces chimiques non-volatiles (métaux dissous, Na, Cl, PO4, SO4, etc.) présentes dans l'eau dans une zone particulière du générateur de vapeur. L'objectif de ces travaux de thèse est d'améliorer la compréhension de ces phénomènes par la modélisation de la physico-chimie du circuit depuis l'origine des polluants jusqu'aux zones où la séquestration peut avoir lieu. Le modèle constitué rassemble les paramètres et équations nécessaires pour la description de la chimie et du transport unidimensionnel par le fluide. Parmi les éléments présents dans le circuit, une attention particulière est portée sur le cuivre, qui a été identifié comme élément susceptible de déstabiliser localement le potentiel d'oxydoréduction du générateur de vapeur. La compilation et la mise en cohérence de données provenant de la littérature permet l'obtention d'un jeu de données thermodynamiques unique pour le cuivre dont l'objectif est de reproduire au mieux certaines données expérimentales de la littérature. Une étude expérimentale de la séquestration avec pour polluants Na-PO4 permet de confirmer que le cuivre oxyde la magnétite en hématite ou en hydroxyphosphate de fer-sodium (SIHP), ce qui est néfaste pour le générateur de vapeur. Les premiers résultats de la simulation numérique du couplage du transport et du code de chimie montrent la formation significative d'hématite dans le générateur de vapeur après seulement quelques minutes de circulation d'un fluide sans autre espèce dans le circuit que le fer et le cuivre.

In the secondary circuit of a PWR, some phenomena such as hideout can lead to a deterioration of the physico-chemical conditions, which is a risk for the primary-secondary confinement barrier in the steam generator. Hideout denotes the concentration increase, due tu boiling, of non volatile chemical species (such as dissolved metals, Na, Cl, PO4, SO4, etc.) in specific parts of the steam generator. The aim of this work is to improve the understanding of these phenomena through the physico-chemical modeling of the circuit from the origins of the pollutants to the areas where hideout can take place. The modeling presented in this work puts together the parameters needed for the description of the chemistry and the one-dimensional transport. Among all the elements present inside the secondary circuit, copper is under particular scrutiny because it was identified as susceptible of locally disturbing the redox potential of the steam generator. A new thermodynamic dataset is generated for copper in order to better fit the experimental data from the literature. This is done by gathering data and applying a thermodynamic consistency method described in this work. A hideout experimental campaign with Na-PO4 as pollutants confirms that copper oxidizes magnetite into hematite or sodium-iron hydroxyphosphate (SIHP), which is harmful to the steam generator. The coupling of the transport and the chemistry code is performed. Among other results, it shows that a significant amount of hematite is formed after just a few minutes of fluid circulation in absence of chemicals other than iron and copper.