Le banc expérimental Calist

Le banc Calist (Characterization and Application of Large and Industrial Spray Transfer) a été élaboré pour caractériser les tailles et les vitesses des gouttes issues d’une ou plusieurs buses d’aspersion, initialement celles des réacteurs nucléaires à eau sous pression (REP), ainsi que pour étudier l’entraînement de l’air par les sprays.

Figure 1. Vue panoramique du banc Calist. © IRSN

Ce banc expérimental a été mis en service en 2010 dans le cadre de la thèse d'Arnaud Foissac pour étudier les interactions entre les gouttes des sprays issus de buses d’aspersion, telles que celles utilisées dans les réacteurs nucléaires en cas d’accident de fusion du cœur.

Figure 2. Schéma de fonctionnement du banc Calist. © IRSN

 
En effet, durant un accident de ce type, entre 200 et 500 buses d’aspersion situées en haut de  l’enceinte du réacteur sont activées afin de réduire la pression et la température des gaz dans l'enceinte de confinement, rabattre les produits de fission et mélanger/diluer l’hydrogène éventuellement présent et potentiellement explosible.

Figure 3. Production du cône creux de la buse d'un REP

Les caractéristiques des gouttes d’aspersion, en particulier leur taille, peuvent influer sur l'efficacité de rabattement, l’efficacité de refroidissement et l'efficacité de mélange. Or la taille des gouttes évolue dans l'enceinte. Cette évolution est due, d'une part aux conditions thermo-hydrauliques qui entraînent l’évaporation de la goutte et/ou la condensation de la vapeur d’eau sur la goutte, d'autre part aux interactions entre gouttes (collision de gouttes, pouvant conduire à leur fragmentation en cas de collision à grandes vitesses, ou bien engendrant de la coalescence gravitationnelle lors de leur longue chute verticale).

Figure 4. Étude de l'issue de la collision de gouttes : différents régimes sont observés selon les tailles et vitesses de gouttes et conditions d'impact (nombre de Weber et paramètre d'impact).
© IRSN (thèse de Christophe Rabe, 2009)

Les phénomènes d'évaporation/condensation ont été étudiés depuis plus de 15 ans, notamment à l’aide de l'installation Tosqan et de l’ancienne installation Caraidas (thèses de Pascal Lemaitre et William Plumecocq). Les études relatives aux interactions entre gouttes sont plus récentes et sont faites sur les bancs Collgate (figure 4, collision de deux gouttes) et Calist (figure 5, croisement de sprays, thèses de Christophe Rabe et Arnaud Foissac).

Figure 5. Croisement de sprays sur le banc Calist. © IRSN

L’autre effet de l’aspersion étudié sur le banc Calist est l’entraînement des gaz par les sprays. Ce phénomène a été étudié dans l’enceinte Tosqan avec des buses de petite taille, et l’installation Calist permet de s’intéresser en détail à l’entraînement des gaz pour des buses de taille « réelle » (buses de REP dont on peut voir un spray dit en forme de « cône creux », sur la figure 3).

Figure 6. Image du spray à la caméra rapide, montrant la zone d'atomisation des gouttes.
© IRSN

En effet, la dynamique de brassage de l’air entraîné par un spray est un phénomène délicat à modéliser, notamment aux échelles considérées ; d’une part une partie des échanges a lieu dans la zone d’atomisation du jet liquide, d’autre part la densité de gouttes dans la zone de formation du spray est importante (voir sur la figure 6 une prise de vue de la zone d’atomisation des gouttes). Ceci engendre un fort couplage rétroactif entre les gouttes et le gaz dans lequel la turbulence joue également un rôle. Des essais dans Calist font actuellement l’objet d’un benchmark dans le cadre du réseau d’excellence Sarnet-2 sur les accidents graves (voir un exemple de calculs CFD dans Calist, figure 7).

Figure 7. Vue 3D des trajectoires de gouttes d'un spray issu d'une buse de REP
dans l'enceinte Calist. © IRSN

Le banc Calist comprend :

• un banc optique incluant un Anémomètre à Phase Doppler pouvant se déplacer selon deux axes sur plusieurs mètres et permettant la mesure de la taille et de la vitesse des gouttes (trois composantes) ;
• une structure de support et de déplacement vertical des deux buses jusqu’à 3 mètres ;
• un circuit hydraulique permettant l’alimentation en eau d'une à quatre buses d’aspersion REP (1 à 4 kg/s) ;
• un circuit hydraulique permettant l’alimentation des brumisateurs générant un brouillard de fines gouttelettes ;
• un bac de rétention d’eau.

D’autres buses peuvent être étudiées sur ce banc, comme des buses de type « sprinkler » utilisées pour la protection des locaux contre les incendies (projet européen Prisme-2).