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Sûreté des réacteurs nucléaires : modéliser précisément les écoulements eau-vapeur

31/03/2014

Calculer le plus finement possible les phénomènes complexes qui se produisent dans l’écoulement de l’eau au sein des réacteurs à eau pressurisée (REP). C’est la tâche des physiciens de la Direction de l’Energie Nucléaire (DEN) du CEA, spécialistes de la mécanique des fluides...

Les physiciens de la Direction de l’Energie Nucléaire (DEN) du CEA étudient les phénomènes complexes qui ont lieu dans l’écoulement de l’eau au sein des réacteurs à eau pressurisée (REP). L’intégrité de la cuve, qui contient le cœur des réacteurs nucléaires, doit notamment être garantie pendant toute la durée du fonctionnement des réacteurs. Afin d’examiner les contraintes auxquelles elle est soumise, des outils avancés de simulation sont développés et validés à l’image du logiciel NEPTUNE_CFD, utilisé par exemple pour modéliser les écoulements eau-vapeur dans le cas d’une situation accidentelle qualifiée de « choc froid ». La version 2.2.0 de ce logiciel a été mise à disposition d’EdF, Areva et de l’IRSN en décembre 2013.

La DEN travaille depuis de nombreuses années au développement de modèles physiques, qui sont intégrés dans des logiciels dits « de CFD » (Computational Fluid Dynamics), consistant à étudier les mouvements d’un fluide ou leurs effets par la résolution numérique des équations régissant son comportement. La validation de ces modèles s’appuie sur un panel d’expériences permettant la confrontation entre calculs CFD et mesures expérimentales. Elles peuvent mettre en œuvre chacun des phénomènes élémentaires ou les combiner ; dans ce dernier cas la modélisation est réalisée sur les supercalculateurs du Très Grand Centre de Calcul (TGCC) du CEA de Bruyères-le-Châtel et nécessite des calculs avec un découpage de l’espace en un million de mailles approximativement.

Un exemple d’application de cette démarche : le calcul avec une finesse nouvelle des phénomènes associés à une situation accidentelle hypothétique étudiée pour confirmer la sûreté des réacteurs. Dans le scénario accidentel considéré, on fait l’hypothèse qu’une rupture d’une canalisation du circuit primaire d’un REP induit une vaporisation partielle de l’eau contenue dans le circuit et que la mise en service automatique des systèmes d’injection de secours provoque l’arrivée d’eau froide sur la cuve chaude qui contient le cœur du réacteur, ce qui est susceptible de créer des contraintes mécaniques. C’est pourquoi on appelle ce phénomène choc froid. Du point de vue de la mécanique des fluides, les écoulements qui se produisent dans ce type de situation mettent en jeu des phénomènes variés tels que les interactions entre les phases liquide et vapeur, l’ébullition, la condensation de la vapeur sur l’eau froide injectée, ou encore les vagues se formant à l’interface. Le logiciel dans lequel sont implémentés les modèles, développé dans le cadre d’un projet co-financé par le CEA, EDF, AREVA-NP et l’IRSN, s’appelle NEPTUNE_CFD. Des comparaisons entre calcul et mesures expérimentales montrent la très bonne cohérence entre les deux et la qualité des modèles développés.

La validation du modèle de condensation, qui dépend des interactions complexes entre la turbulence dans le liquide et la surface libre du liquide en contact avec la vapeur, se poursuit de manière à améliorer encore le caractère prédictif du logiciel.

Photo : Expérience de « choc froid » à grande échelle : à gauche, représentation de la cuve d’un réacteur, avec les générateurs de vapeur en bleu ; à droite, modélisation par NEPTUNE_CFD de la zone de la cuve et des tuyauteries impliquées (c) CEA.