Experimental Study of Choking Flow of Water at Supercritical Conditions

Les prochaines générations de réacteurs nucléaires vont opérer avec un fluide de refroidissement dont la pression sera près de 25 MPa et dont la température de sortie sera de 500°C à 625°C, selon le type de réacteur. En conséquence, l'enthalpie du flux de sortie de ces futurs réacteurs à eau supercritique, SCWR, «Supercritical Water-Cooled Reactors» sera beaucoup plus élevée que celle des réacteurs actuels. Cela permettra à l'efficacité des centrales nucléaires de passer d'environ 30-33% aujourd'hui jusqu'à 48%. Cependant, le comportement thermo-hydraulique de l'eau supercritique n'est pas encore bien compris sous de telles conditions d'écoulement, notamment en ce qui concerne par exemple les chutes de pression, la convection forcée, la détérioration du transfert de chaleur et le flux massique critique. Jusqu'à maintenant, seul un nombre très limité de recherches ont été effectuées utilisant des fluides en conditions supercritiques. De plus, ces recherches n'ont pas été effectuées dans des conditions représentatives des SCWR. Aussi, les données existantes au sujet du flux massique critique ont été recueillies lors d'expériences dont la pression de décharge était celle de l'atmosphère ambiante, et dans la plupart des cas en utilisant des fluides autres que l'eau. Il est à noter que la compréhension de l'écoulement critique des fluides supercritiques est essentielle pour effectuer les analyses de sûreté des futurs réacteurs nucléaires et pour concevoir leurs principaux composants mécaniques, par exemple, les valves de contrôle et les vannes de sûreté. Ainsi donc, une installation d'eau supercritique a été construite à l'École Polytechnique de Montréal pour effectuer des recherches sur le débit critique. Ce montage expérimental consiste en deux boucles fonctionnant en parallèle, servant à déterminer les conditions d'écoulement qui déclenchent le débit critique de l'eau supercritique. Cette installation est également en mesure d'effectuer des expériences de transfert de chaleur et de perte de pression utilisant de l'eau en conditions supercritiques. Dans cette thèse, seront présentés les résultats obtenus grâce à cette installation avec l'utilisation d'une section d'essais munie d'un orifice de 1 mm de diamètre interne et de 3,17 mm de longueur, et dont les rebords sont acérés. Ainsi, 545 points de données de flux massique critique ont été obtenus en conditions supercritiques, pour des pressions d'écoulement allant de 22,1 MPa à 32,1MPa, et à des températures d'écoulement allant de 50°C à 502°C, et ce pour des pressions de décharges 0,1 MPa à 3,6 MPa.