Study of water injection with evaporation in a highly degraded nuclear reactor core

​Ali Swaidan a soutenu sa thèse le 5 février 2018 à St-Paul-lez-Durance.

​​Les accidents graves résultant de la fusion d’un coeur de réacteur nucléaire doivent

être anticipés pour améliorer l’efficacité de leur mitigation. De tels accidents sont

survenus à TMI-2 (1979) et à Fukushima (2011). Suite à un accident de perte de

refroidissement, l’échauffement du coeur et l’oxydation de la gaine de combustible

suivie d’un renoyage (injection d’eau) peuvent entraîner l’effondrement des barres

de combustible et la formation d’un lit de débris dans le coeur. La vapeur produite

lors du renoyage peut activer l’oxydation exothermique du Zircaloy, entraînant la fusion partielle des matériaux. Cette évolution engendre des zones à porosité réduite

limitant la pénétration de l’eau et/ou des zones imperméables. Dans cette situation,

l’efficacité de l’injection d’eau dans le coeur pour arrêter la progression de la

dégradation et empêcher la fusion du coeur du réacteur peut être considérablement

réduite.

Dans ce cadre, l’IRSN a lancé le programme PEARL visant à étudier la thermohydraulique du renoyage des lits de débris chauds entourés d’une zone plus perméable simulant la présence de zones intactes ou moins endommagées dans le coeur. Dans cette thèse, les expériences PEARL ont été modélisées et simulées avec ICARE/CATHARE pour évaluer l’évolution d’un renoyage d’un lit de débris surchauffé entouré d’un bypass de perméabilité plus grande. La thermohydraulique du processus a été analysée et l’effet de différents paramètres (géométrie, conditions aux limites) sur le comportement de renoyage a été évalué. Sous certaines conditions, l’entraînement de l’eau dans le bypass a été identifié et évalué.

Un modèle analytique a été mis au point ensuite pour étudier de façon approfondie

le renoyage d’un milieu poreux hétérogène surchauffé composé de deux lits de débris

de perméabilité et de porosité différentes et pour décrire l’entraînement de l’eau dans

le bypass. Ce modèle calcule les principales variables caractérisant le processus de

renoyage, telles que la vitesse du front de trempe, le taux de conversion eau-vapeur

et le débit d’eau entraîné dans le by-pass. Il fournit de bons résultats qualitatifs et

quantitatifs concernant la redistribution du débit d’eau par rapport aux résultats

expérimentaux. Ce modèle a plusieurs avantages. Il est écrit sous une forme plutôt

générale incluant les termes de correction de Forchheimer et les termes croisés non

nuls dans l’équation de Darcy-Forchheimer généralisée. Les différentes options des

équations de quantité de mouvement proposées, y compris les changements dans

les corrélations et les lois de frottement interfacial, peuvent être testées facilement.

La comparaison des calculs avec les résultats expérimentaux indique qu’il est nécessaire d’inclure une loi de frottement interfacial pour obtenir de bonnes prédictions.

L’extrapolation à l’échelle du réacteur est simple et des calculs ont été effectués

pour évaluer l’impact des paramètres géométriques du lit de débris (granulométrie,

porosité, dimensions) ainsi que les conditions thermiques et hydrauliques (température, pression, débit d’injection). Ainsi, le modèle est très utile pour estimer le temps de trempe total et la température maximale qui pourraient être atteinte dans

le lit de débris à grande échelle. Cela permet d’évaluer la probabilité de réussite du

renoyage d’un lit de débris chauds formé lors d’un scénario accidentel hypothétique.