Étude de l'influence du champ magnétique dans une section d'essais thermohydraulique d'un canal de réacteur nucléaire CANDU 6

Ce mémoire traite des effets des champs magnétiques présents dans une section d'essais thermohydraulique de l'industrie nucléaire canadienne. Cette section d'essais sert à déterminer les conditions thermohydrauliques pouvant mener aux flux de chaleur critique dans un canal de réacteur nucléaire CANDU 6. Pour effectuer ces séries d'expériences, la compagnie STERN a eu recours à de forts courants électriques pour chauffer les assemblages de simulation avec une puissance thermique similaire à celle retrouvée dans un canal de réacteur nucléaire CANDU. Les matériaux constitutifs du canal de simulation et de ses supports sont de nature ferromagnétique. Le fort champ magnétique généré par les assemblages de simulation implique que ces derniers sont soumis à une force magnétostatique due à l'aimantation des matériaux ferromagnétiques. L'industrie nucléaire désire savoir si ces efforts, combinés à la force de gravité, sont suffisants pour maintenir en place les assemblages dans le canal de simulation. La question se pose aussi de savoir si le champ magnétique présent dans le canal peut avoir une influence sur les paramètres de transfert thermique par ébullition. Pour déterminer la distribution du champ magnétique dans le canal de simulation, la méthode des images en magnétostatique a été utilisée ainsi que la méthode intégrale de calcul de l'aimantation. Les résultats des calculs effectués démontrent que l'amplitude de la force magnétostatique exercée par les éléments ferromagnétiques de la section d'essais est inférieure à celle estimée par le laboratoire STERN. Le modèle mécaniste de Sullivan et al. (1964) a été utilisé pour évaluer l'influence possible des champs magnétiques sur le diamètre de détachement des bulles de vapeur. La déviation, quant à la fréquence d'émission des bulles, a été évaluée à l'aide des corrélations de Zuber et al. (1959) et Cole (1960). En introduisant une force magnétostatique dans le modèle d'ébullition et les corrélations, il a été démontré que le champ magnétique présent dans la section d'essais de STERN à une influence négligeable sur le diamètre de détachement des bulles et leur fréquence d'émission. En conclusion, les conditions qui règnent dans la section d'essais sont conformes à celles régnant dans un canal de réacteur CANDU 6.

Abstract

This memoir deals with the effects of the magnetic fields present in a thermal hydraulic test section of the Canadian nuclear industry. This test section is used to determine the thermal hydraulic conditions that can lead to critical heat flux in a channel of a CANDU 6 nuclear reactor. To perform their series of experiments the STERN Company used strong electric currents to heat the simulation bundles with a thermal power similar to the one found in a channel of a CANDU reactor. The materials constituting the simulation channel and its supports are of ferromagnetic nature. The strong magnetic field generated by the bundles implies that they are subjected to a magnetostatic force due to the magnetization of the ferromagnetic materials. The nuclear industry wants to know if these efforts, combined with the force of gravity, are sufficient to maintain the bundles in place in the simulation channel. The question also arises whether or not the magnetic field present in the channel can affect the parameters of boiling heat transfer. To determine the magnetic field distribution in the simulation channel, we had recourse to the magnetostatic image method and the integral method of calculation of magnetization. The results of the calculations show that the magnetostatic forces exerted by the ferromagnetic elements of the test section are inferior in magnitude to the one estimated by the STERN laboratorie. We used the mechanistic model of Sullivan et al. (1964) to evaluate the possible influence of the magnetic fields on the departure diameter of the vapor bubbles. The deviation in the frequency of bubble emission was evaluated by using the correlations of Zuber et al. (1959) and Cole (1960). By introducing a magnetostatic force in the boiling model and in the correlations, we demonstrated that the magnetic field present in the STERN test section has a negligible effect on the bubble departure diameter and their emission frequency. We conclude that the conditions in the test section are consistent with those prevailing in the channel of a CANDU 6 reactor.