Développement d'un nouveau modèle d'explosion de vapeur pour le logiciel MC3D

Development of a new steam explosion model for the MC3D software

• Auteur / Autrice : Linkai Wei
• Direction : Nicolas Rimbert, Renaud Meignen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie et Mécanique
• Date : Soutenance le 17/03/2023
• 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)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Energies et Mécanique Théorique et Appliquée
• Jury : Président / Présidente : Daniel Fuster
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Rimbert, Renaud Meignen, Nathalie Seiler-Marie, Véronique Roig, Erik de Malmazet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Fuster, Nathalie Seiler-Marie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Instabilités hydrodynamiques

Refroidissement

Corium

Transfert de chaleur

Réactions de fragmentation

Ondes de choc

Simulation par ordinateur

Pression de vapeur

Accidents nucléaires

Mots clés libres

Explosion de vapeur

MC3D

Micro-interaction

Fragmentation secondaire

Transfert de chaleur

Interaction Corium-Eau

Steam explosion

MC3D

Micro-Interaction

Secondary breakup

Heat transfer

Fuel-Coolant Interaction

Résumé

L'explosion de vapeur est l'un des phénomènes les plus critiques et complexes qui peuvent se produire lors d'un accident grave dans une centrale nucléaire. Le code MC3D est reconnu comme une référence pour l'évaluation de ce phénomène. Ce phénomène explosif est analogue à une détonation. L'explosion est due à la fragmentation du combustible fondu, au passage de l'onde de choc et à la libération très rapide de l'énergie associée. Cependant, les mécanismes précis du processus de pressurisation sont très incertains et ont fait l'objet de travaux réalisés dans le cadre du programme RSNR-ICE (2014-2023), qui ont permis de mieux comprendre la phénoménologie générale et de valider le principe général de MC3D, basé sur un principe d'ébullition directe autour de la surface des fragments de corium via un mécanisme d'ébullition en film. Or, il apparaît que les processus de fragmentation semblent, dans certaines conditions, se réaliser sans une dispersion significative des fragments dans l'eau, ce qui est contraire à ce que présuppose le modèle MC3D actuel. L'objectif de la thèse est de proposer une modélisation améliorée de l'explosion pour MC3D, combinant le principe actuel d'ébullition directe et d'interaction combustible-refroidissement localisée dans un petit volume autour des gouttes de corium et des fragments. Après une bibliographie extensive du phénomène d'explosion de vapeur, une analyse détaillée du comportement du modèle MC3D actuel est effectuée, en utilisant un cas-test simple et idéal. Malgré la simplicité de l'ensemble de données, l'analyse peut être directement appliquée aux expériences à géométrie unidimensionnelle telles que KROTOS. Le rôle crucial du vide initial et du vide créé est mis en évidence ; il suggère également les premiers contours d'un nouveau modèle. Le logiciel Basilisk a ensuite été utilisé pour effectuer des simulations DNS afin d'obtenir des détails sur les transferts thermiques de fragmentation et d'association. Une analyse complète des régimes de fragmentation, des statistiques incluant le diamètre moyen de Sauter et la fonction de densité de probabilité de la masse et de la surface des fragments, du nombre de Nusselt transitoire et du coefficient de traînée a été menée. Dans le même temps, les résultats du même cas d'essai utilisant MC3D sont comparés à ceux de Basilisk, ce qui met en évidence la nécessité de modifier le modèle MC3D. Enfin, les grandes lignes d'un nouveau modèle proposé sont présentées et discutées. Celles qui ont pu être validées directement à partir des résultats du DNS ont été implémentées dans la version actuelle de MC3D. Il s'agit en particulier de l'introduction d'une Micro-Interaction de Non-Equilibre (NEMI), Les autres propositions concernant le comportement du vide pourront être implémentées dans la future version (V4) du code.

The steam explosion is one of the most critical and complex phenomena that may occur during severe accident in a Nuclear Power Plant. The MC3D computer code is recognized as reference for the evaluation of this phenomenon. This explosive phenomenon is analogous to a detonation. The explosion is due to the fragmentation of the molten fuel, the passage of the shock wave and the very fast release of the associated energy. However, the precise mechanisms of the process of pressurization are very uncertain and have been the subject of works carried out under the program RSNR-ICE (2014-2023), which led to an increased understanding of general phenomenology and validated the general principle of MC3D, based on a principle of direct boiling around the surface of the corium fragments via a film boiling mechanism. However, it appears that the fragmentation processes seem, under certain conditions, to be achieved without a significant dispersion of the fragments in the water, which is contrary to what presupposes the current MC3D model. The aim of the thesis is to propose an improved modeling of the explosion for MC3D, combining the current principle of direct boiling and fuel-coolant interaction localized in a small volume around the corium drops and fragments. Following an extensive bibliography of the steam explosion phenomenon, a detailed analysis of the behavior of the current MC3D model is performed, using a simple and ideal test-case. Despite the simplicity of the data set, the analysis can be directly applied to experiments with one-dimensional geometry such as KROTOS. The crucial role of initial and created void is highlighted; It also suggests the first outlines of a new model. The Basilisk software was then used to perform DNS simulations to get details of fragmentation and association heat transfers. Comprehensive analysis about fragmentation regimes, statistics including Sauter Mean Diameter and Probability Density Function of fragment mass/area, the transient Nusselt number and drag coefficient were conducted. At the same time, results for the same test-case using MC3D are compared with that of Basilisk, highlighting the need of modification of MC3D model. Finally, the main lines of a proposed new model are presented and discussed. Those that could be directly validated from the DNS results were implemented in the current MC3D version. This concerns in particular the introduction of a Non-Equilibrium Micro-Interaction (NEMI), The other proposals concerning the behavior of the void may be implemented in the future version (V4) of the code.