Fluidelastic Excitation of a Fuel Rod Bundle Subjected to Combined Axial-Flow and Jet Cross-Flow

Résumé Les vibrations induites par le flux (FIV*) dans les centrales nucléaires sont une préoccupation constante, notamment à cause de la demande de meilleures performances et efficacités thermiques qui remet en question les caractéristiques mécaniques, de flux et d’exposition à l’irradiation des conceptions de combustible. De par leur conception, certains réacteurs à eau pressurisée (REP) intègrent des caractéristiques de sécurité telles que des trous et des fentes d’accident de perte de réfrigérant primaire (APRP) dans les chicanes périphériques du cœur entourant les assemblages combustibles. Cela permet notamment une libération de l’accumulation de pression en cas d’APRP. Pendant le fonctionnement normal, le débit à travers les trous APRP était considéré comme minimal parce que le chemin d’écoulement de configuration à flux ascendant à travers l’espace annulaire entre le carottier et la plaque de chicane a été utilisé pour minimiser la chute de pression à travers la plaque de chicane. Cependant, ces usines conçues ont connu l’usure des combustibles par frottement dans le passé et encore plus récemment près des trous APRP de plaque de chicane. L’objectif principal de ce projet de recherche est de comprendre l’effet d’écoulement axial combiné à un écoulement transversal à jet localisé sur la dynamique d’un faisceau de barres et de développer une stratégie de modélisation appropriée pour simuler cette dynamique; en particulier, lorsque le flux de jet est injecté à partir du trou APRP (c’est-à-dire un jet circulaire). Cet objectif sera atteint grâce à un programme de recherche comprenant des travaux expérimentaux et des modélisations analytiques. Dans le travail expérimental, une série de configurations d’écoulement de faisceaux de barres de plus en plus complexes seront testées. Le point de départ est une étude du comportement en stabilité d’un faisceau de barres monté élastiquement et soumis à un flux de jet pur (en l’absence d’écoulement axial). Un faisceau de barres avec des supports à 1-degrés de liberté (1-DDL) sera d’abord étudié; puis on remplace ce montage par des supports axisymétriques (c’est-à-dire à 2-DDL). Ensuite, une maquette reproduira les conditions de fonctionnement d’un assemblage combustible REP évalué fluidélastiquement en raison de l’écoulement croisé axial et à jet combiné. Un effet stabilisateur de l’écoulement axial sur l’instabilité induite par le jet sera étudié en détail dans le but de déterminer le mécanisme sous-jacent. Tout aussi important, les paramètres régissant l’instabilité fluidélastique (FEI*) des faisceaux de barres soumis à la fois à un écoulement transversal en jet pur et à un écoulement combiné seront déterminés dans le but d’étendre les modèles théoriques d’instabilité fluidélastique existants au cas de l’écoulement en jet transversal et aux écoulements axial et à jet combinés. De manière plus détaillée, les objectifs de ce travail sont : O1 caractériser expérimentalement le comportement dynamique de faisceaux de barres soumis à un écoulement transverse de jet pur, O2 mesurer les dérivées de stabilité fluidélastique et les retard de la réponse du fluide, O3 développer un modèle semi-empirique quasi-stationnaire pour FEI induites par jets transverses, O4 développer un modèle de vecteur propre généralisé pour prédire la forme modale d’un faisceau sous jets transverses, O5 atténuer les vibrations induites par les jets transverses à l’aide d’un contrôle passif de cet écoulement, et O6 caractériser expérimentalement et modéliser analytiquement la dynamique d’un faisceau de barres à une travée soumis à un jet en écoulement transverse (JITF*). Trois installations expérimentales ont été conçues et construites. Le premier dispositif expérimental vise à étudier les vibrations induites par l’écoulement transversal du jet pour un faisceau de tiges en treillis carré 6x6 qui est supporté de manière flexible a fin de simuler une partie d’assemblage combustible REP, lequel est soumis à un écoulement de jet transversal pur. Le flux du jet est déplacé transversalement dans la section d’essai pour permettre d’étudier l’effet de stabilité du décalage entre les axes du jet et du faisceau de barres (c’est-à-dire l’excentricité du jet, ξ). Une deuxième configuration de faisceau de barres a été conçue. C’est un faisceau de barres 6x6 constitué de tiges flexibles axisymétriques pour étudier les vibrations bi-axiales induites par l’écoulement du jet. Le deuxième appareil expérimental vise à mesurer les forces quasi-statiques et nonstationnaires pour le développement du modèle FEI induit par le jet. Une tige instrumentée avec un capteur de force à six axes est insérée dans un faisceau rigide 6x6 tandis que les tiges voisines sont instrumentées avec des jauges de contrainte pour mesurer les dérivées de force de couplage croisé. Dans l’appareil expérimental final, l’effet de l’écoulement axial sur le FEI induit par l’écoulement transversal du jet est considéré en concevant deux branches de la boucle de test, soit une pour l’écoulement axial et l’autre branche pour l’écoulement du jet. Un faisceau de maquettes RER à travée unique est conçu et fabriqué pour évaluer son comportement dynamique sous différentes configurations d’écoulement axial et d’écoulement croisé de jet. Les limites de stabilité mesurées sont aussi utilisées pour valider le modèle développé pour le FEI induit par JITF. Les résultats des tests de la première configuration expérimentale montrent que l’écoulement transversal du jet pur provoque une instabilité fluidélastique dans la direction transversale. La vibration et l’instabilité du faisceau de tiges dépendent fortement de l’excentricité du jet et de l’écart entre la buse et la première rangée (c’est-à-dire la distance de sécurité, H). Les vibrations transversales sont plus dominantes que celles dans le sens du jet. La vitesse critique diminue avec l’augmentation de la distance de recul du jet, puis s’inverse. Les résultats au niveau du flux montrent que l’excentricité variable du jet excitait le faisceau de tiges avec différents mécanismes. Les vibrations des tiges se sont produites avec le jet centré ainsi qu’avec le boîtier du faisceau de tiges et ont eu un phénomène de verrouillage/synchronisation. La vibration de grande amplitude observée dans le faisceau est atténuée à l’aide d’une nouvelle buse inspirée des requins. La performance de la buse inspirée du requin sur la vibration du faisceau de tiges est évaluée par rapport à un cas de référence de buse circulaire. Les résultats montrent que la vitesse d’écoulement critique du jet est retardée de 20% et on observe 80% de réduction d’amplitude par rapport à celles obtenues avec la buse circulaire. De plus, l’effet des diamètres d’écoulement de jet est étudié sur le faisceau de tiges axisymétriques pour obtenir O4. La principale découverte dans cet objectif est que la forme modale extraite est presque identique pour les buses avec un rapport d’accélération similaire (AJet/AGap). On peut notamment expliquer globalement que les zones d’écart d’écoulement à travers le faisceau changent à mesure que le diamètre de la buse augmente, mais les changements ne sont pas linéaires en raison de la correspondance géométrique entre l’emplacement de la buse et les tiges faisant face au flux du jet. Les résultats de stabilité basés sur les dérivées de stabilité mesurées et le retard temporel du second appareil expérimental montrent que le modèle développé prédit la vitesse critique avec une erreur de 15%. La principale découverte des travaux théoriques selon laquelle les forces du fluide de jet sur la tige vibrante sont fonction de la tige est dérivée pour prendre en compte la caractéristique dynamique de la tige vibrante sous écoulement transversal à jet circulaire. De plus, les expériences FEI du faisceau à travée unique montrent que la vitesse critique d’écoulement transversal du jet augmente avec l’augmentation de la vitesse d’écoulement axial, introduisant un paramètre important, soit le rapport de vitesse, VJet/VAxial pour quantifier la limite de stabilité de ce faisceau sous jet en écoulement transverse (JITF). Le FEI induit par le modèle JITF est développé et validé avec les résultats expérimentaux; les résultats du modèle montrent un accord avec la vitesse critique mesurée de l’écoulement transversal du jet avec une erreur absolue maximale de 12.5 % sur trois cas testés. Dans l’ensemble, cette étude a démontré l’importance de l’instabilité fluidélastique en provoquant des amplitudes de vibration significatives dans les faisceaux de barres à combustible soumis à un écoulement croisé axial et de jet combiné. D’après les résultats obtenus dans ce projet, le potentiel de l’écoulement axial pour stabiliser la vibration du faisceau de la maquette REP et donc élever la limite de stabilité des faisceaux soumis à un écoulement croisé à jet pur est mis en évidence. Des recherches supplémentaires sont cependant nécessaires pour valider cet effet stabilisateur de l’écoulement axial sous des paramètres d’écoulement de jet variés (DJet, H). Le travail de modélisation améliore la compréhension du mécanisme sous-jacent à l’instabilité induite par le jet. Un nouveau paramètre de la dérivée de la surface de la tige s’avère nécessaire pour simuler la caractéristique dynamique de barres à combustible vibrantes sous jet de trous APRP. Enfin, ce travail de recherche apporte des informations originales sur les limites de stabilité des faisceaux de barres soumis à jet pur et à jet en écoulement transverse (JITF). La stabilité de quoi résultats expérimentaux pourraient être utilisés pour concevoir des cœurs de réacteur efficaces et sûrs.