Programme Progres
Démarré en 2007, le programme de recherche Progres (ex-Pearl) a pour but de mieux comprendre les phénomènes impliqués dans les écoulements d’eau et de vapeur au sein d’un milieu poreux constitué de particules solides à très haute température dans des conditions représentatives d’accident de fusion de cœur (ou accident grave). Il met en jeu les installations Prelude et Pearl de la plateforme Thema de l’IRSN.
Caractéristiques du projet
Dates de réalisation : 2007-2019
Pilote : IRSN
Financement : IRSN, EDF, Commission Européenne
Partenaire : EDF
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Contexte et objectifs
En cas de perte accidentelle et prolongée du refroidissement, les crayons de combustible constituant le cœur d’un réacteur nucléaire à eau sous pression (REP) vont être endommagés, et une grande partie d’entre eux va s’effondrer et former ce qu’on appelle un "lit de débris". Il s’agit là en fait d’un amas de fragments issus des gaines en zircalloy et des pastilles d’UO2 (voire, en cas de combustible MOX, de pastilles d’UO2 et de PuO2) qu’elles contiennent. S’il n’est pas rapidement refroidi cet amas va entrer en fusion et être de plus en plus en plus difficile à refroidir, ce problème a été mis en évidence dans le cadre de l’analyse de l’accident de Three Mile Island survenu aux Etats-Unis en 1979.
Pour essayer de prévenir une telle évolution de l’accident une des opérations préconisées consiste à réinjecter de l’eau sur le cœur, action appelée "renoyage". Bien qu’indispensable pour refroidir le combustible, cette opération peut cependant mettre en danger l’intégrité de l’enceinte de confinement du réacteur. En effet, l’injection d’eau sur un cœur à très haute température peut induire, si celui-ci a commencé à fondre, une interaction thermique explosive, dite "explosion de vapeur" entre l’eau et le cœur fondu.
Graphique : schéma simplifié d'un coeur de REP fortement dégradé. © IRSN
Principe du programme
Lors du renoyage d’un cœur dégradé, l’eau injectée s’écoule au travers d’un amas de particules (ou lit de débris) à très haute température dont la géométrie et la porosité sont localement variables. Ce lit de débris peut être difficile à refroidir car l’eau peut contourner les zones les moins poreuses du lit (qui sont aussi les zones les plus chaudes) au profit des zones plus poreuses.
Photo : de gauche : vue de dessus du lit de billes entouré d’un « by-pass » qui simule des zones périphérique moins dégradées par lesquelles l’eau peut contourner les billes chauffées si les conditions sont défavorables au renoyage. © IRSN - Photo de droite : Vue du lit de billes à l’intérieur de l’inducteur qui permet le chauffage. © IRSN
Pour prédire la progression de l’eau au sein du lit de débris et la production de vapeur qui en résulte, il s’est avéré nécessaire de mettre au point des modèles détaillés de thermo-hydraulique, décrivant le cœur endommagé comme un milieu poreux de géométrie et de caractéristiques variables. Ces modèles ont été mis au point à l’aide du logiciel Icare-Cathare qui simule la dégradation d’un cœur de réacteur.
Après validation sur les données expérimentales acquises sur les installations Prelude et Pearl, ces modèles seront simplifiés puis introduits dans le logiciel Astec qui simule l’ensemble des phénomènes qui peuvent se produire dans un réacteur nucléaire lors d’un accident grave.
Le programme Progres consiste à renoyer des amas de particules métalliques, portées à haute température (1000 °C), et dont la taille et la distribution spatiales sont représentatives de celles attendues dans un réacteur à eau sous pression. Les particules utilisées, de 1 à 8 mm de diamètre, sont en acier. Elles sont placées dans un cylindre de quartz entouré d’un solénoïde qui les chauffe par induction pour simuler la puissance résiduelle des débris du cœur. Dès que la température de consigne est atteinte, le "renoyage" est déclenchée par l’injection d’eau à la base du cylindre. L’instrumentation placée dans le lit de débris permet de caractériser la progression de l’eau dans le milieu poreux, la production de vapeur et la montée en pression qui en résulte, en fonction de paramètres tels que le débit d’injection d’eau, la taille des particules, la puissance déposée dans le lit et la pression.
Déroulement du programme :
Le programme comporte deux étapes :
La première étape s’est déroulée sur le dispositif Prelude, qui est une maquette à échelle réduite de l'installation Pearl. Les sections d’essais ont un diamètre variant de 110 à 290 mm et contiennent environ 5 à 60 kg de particules. Ce dispositif a permis de valider les options technologiques de l’installation Pearl, notamment d’effectuer des études de faisabilité du chauffage par induction et des tests de qualification de l’instrumentation. Les premiers essais du programme expérimental, qui se sont déroulés de 2010 à 2012 sur ce dispositif, ont permis d'améliorer et de valider les outils de simulation.
Les résultats obtenus entre 2010 et 2012 :
Les campagnes expérimentales menées de 2010 à 2012 sur le dispositif Prelude ont permis de démontrer la faisabilité du renoyage d’un lit de billes porté à 900 °C, tout en maintenant un dépôt de puissance de 200 W/kg dans le lit pendant l’injection d’eau. Les thermocouples implantés au sein du lit à différents niveaux (voir figure) permettent de suivre la progression du front de trempe, c'est-à-dire la frontière séparant la zone où les billes ont été refroidies (en bas) de la zone où les billes sont encore chaudes et où se produit une ébullition intense. On a également pu mesurer la pression au sein du lit de billes et le débit de vapeur produite.
Au-delà des essais de qualification des techniques à mettre en oeuvre dans Pearl, plusieurs campagnes, représentant plus d’une centaine d’essais, ont été réalisées dans Prelude, dans le but d’apporter des résultats utiles à la compréhension des phénomènes physiques mis en jeu au cours du renoyage et d’améliorer les corrélations utilisées aujourd’hui dans les logiciels de simulation Icare/Cathare et Astec.
On a ainsi pu estimer le flux de chaleur maximal extrait des billes par l’eau en fonction de leur température. On a aussi déterminé la vitesse de progression du front de trempe en fonction de la vitesse d’injection, de la température initiale et de la taille des billes
Graphique : exemple de calcul de la progression de l’eau dans le lit de billes (le front de trempe se situe à la limite de la zone bleue). © IRSN
La mesure du débit de vapeur produit a permis d’évaluer l’efficacité du refroidissement, pour différentes conditions de renoyage. Enfin, on a pu constater que, sous certaines conditions, une partie des billes peut être soulevée par la vapeur qui traverse à très grande vitesse la partie haute du lit. Ce phénomène, dit de "fluidisation", est favorable à un refroidissement efficace.
Les campagnes d’essais de 2012 ont mis en jeu un lit de billes entouré d'une zone de plus grande porosité où l’eau peut s’écouler plus facilement. Cette situation est davantage représentative de la situation "réacteur" parce qu’un cœur endommagé présente des hétérogénéités importantes et la progression de l’eau se fait d’abord par les voies offrant le moins de résistance. On peut ainsi évaluer l’impact de ce by-pass sur le refroidissement du lit de billes qu’il entoure.
Graphique : comparaison de la vitesse de progression du front de trempe mesurée à celle calculée, à différentes positions radiales du lit de billes. © IRSN
Les campagnes d’essais dans l’installation Pearl
L’installation Pearl est, de par ses caractéristiques de taille et de variations de paramètres, unique au monde. Elle permet de simuler à l’échelle ¼ le cœur d’un réacteur.
Le diamètre de la section d’essai (5 fois plus grand que celui de Prelude) permettra de mieux analyser les effets bidimensionnels sur les écoulements d’eau et de vapeur, induits par la présence d’un by-pass à la périphérie du lit de particules. De plus, les essais se dérouleront sous une pression pouvant aller jusqu’à 10 bar, ce qui n’était pas possible dans Prelude.
Le dimensionnement de l’installation Pearl permet d’étudier les effets du débit d’eau injecté (2 à 50 m3/h), de la pression du système (1 à 10 bar), de la température initiale du lit de débris (400 à 900 °C), de la sous-saturation de l’eau injectée, du chauffage (0 à 300 W/kg, simulant la puissance résiduelle du cœur), sur le renoyage. Le lit de débris peut être constitué de billes de taille identique (lit homogène) ou d’un lit de débris hétérogène avec des billes de taille variable, chauffées (billes métalliques) ou non chauffées (billes en quartz).
Quatre campagnes d’essais sont prévues, dont certaines impliqueront l’installation Prelude :
- Campagne 1 (2014-2015) : Renoyage du lit de débris homogène (particules de même taille) - paramètres d’étude : débit, pression et température
- Campagne 2 (2016) : Effet des caractéristiques géométriques du lit de débris - paramètres d’étude : distribution du diamètre des particules et taille du by-pass
- Campagne 3 (2017) : Étude d’une zone compacte dans un lit de débris Campagne 4 (2018) : Étude de l’effet de l’oxydation de matériaux métalliques et production d’hydrogène
Equipements & techniques
Les laboratoires IRSN impliqués
Le laboratoire d'expérimentation en mécanique et matériaux (LE2M) - Le laboratoire d'étude de la physique du corium (LEPC)
Laboratoire d'étude de la physique du corium (LEPC)
La mission principale du laboratoire consiste en la production de connaissances et le développement des moyens de prédiction du comportement du combustible nucléaire jusqu’à des températures élevées, voire la fusion des matériaux.
Les laboratoires IRSN impliqués
Le LE2M a pour mission générale de réaliser des études expérimentales sur le comportement des matériaux en situations accidentelles, notamment le combustible nucléaire, ainsi que sur la thermo-hydraulique lorsqu'elle interagit avec ce comportement...