Étude des pertes de pression monophasiques et diphasiques à travers un lit de débris 3D imprimé représentatif de la dégradation d’un cœur de réacteur

Lors d’un accident grave de réacteur, un lit de débris peut se former dans le coeur. Constitué de fragments de pastilles combustibles et d’éléments de gainage oxydés, il est assimilable à un milieu poreux anisotrope constitué de particules millimétriques hétérogènes.

Ce lit, chauffé par la puissance nucléaire résiduelle, doit être refroidi par injection d’eau (renoyage) pour éviter d’atteindre la fusion des matériaux qui le composent, créant un bain de corium qui s’avère plus difficile voire impossible à refroidir.

Le renoyage de ce lit est nécessaire pour stopper la progression de l’accident mais il peut cependant avoir des conséquences négatives pour la sûreté de l’installation, en particulier s’il provoque une reprise de l’oxydation très exothermique du Zr. Pour améliorer l’évaluation des conséquences du renoyage d’un coeur dégradé, un programme appelé PROGRES est en cours à l’IRSN.

Un des axes de recherche du programme vise à caractériser précisément les pertes de charge pour des écoulements monophasiques ou diphasiques à travers des lits de débris. Ces pertes de charges pilotent en effet l’écoulement à travers ces lits et donc l’efficacité de leur refroidissement.

Un premier travail sur ce sujet a été mené à l’IRSN sur l’installation CALIDE avec des lits modèles constitués de billes ou de particules calibrées. Plus récemment, des lits « numériques » résultant d’un calcul d’effondrement de crayons combustibles ont été réalisés à l’aide d’une méthode granulaire. Cette approche offre l’avantage de travailler avec un lit très réaliste (forme, arrangement et distribution de taille des particules). Elle permet l’obtention d’une image 3D que l’on peut imprimer par prototypage rapide.

L’objectif de ce travail de recherche est d’effectuer des mesures de pertes de charges sur les objets issus ce prototypage et de comparer les résultats obtenus avec des simulations numériques (calculs CFD). Les corrélations ou modèles développés seront également implantés dans le code système ASTEC pour réaliser des calculs réacteur.

La première étape de la thèse consiste à caractériser les objets imprimés afin de préciser l’écart existant entre les valeurs théoriques et les valeurs mesurées de grandeurs clés telles que la porosité. Cela passe par l’identification des bons paramètres d’impression (machine, précision, …) et par des essais en laboratoire sur les échantillons fabriqués. Pour faciliter ce travail, un lit modèle construit sur la base d’un réseau de pyramide est en cours d’élaboration. Ce lit modèle servira également à faire des calculs à l’aide du code COMSOL et du code CALIF3S développé à l’IRSN.