Étude de la distribution des champs magnétostatiques dans une section d'essais de type CANDU chauffée par effet de Joule

Parmi tous les paramètres physiques considérés lors de l'analyse de sûreté d'un réacteur nucléaire, le flux de chaleur critique (FCC) fait partie des plus importants. Afin d'étudier le FCC sous des conditions expérimentales relativement sécuritaires, la chaleur dégagée par le combustible nucléaire peut être reproduite grâce à l'effetet de Joule. Or, afin de générer la puissance thermique nécessaire pour les expériences sur le FCC des réacteurs CANDU, des courants électriques très élevés de l'ordre de plusieurs dizaines de milliers d'ampères sont requis ce qui génère un champ magnétostatique très intense capable d'interagir avec la section d'essais et l'instrumentation. Conséquemment, l'industrie nucléaire est préoccupée par les effets de ce champ magnétique sur les données collectées et par les forces d'origine magnétique agissant sur le système. Dans ce contexte, le travail présenté dans ce mémoire de maîtrise vise l'implémentation d'une méthodologie de calcul capable de fournir une information détaillée sur le champ magnétique engendré par ces courants. Toutefois, étant donné la complexitée du système, une étude magnétostatique appropriée requiert une méthode numérique afin d'obtenir une distribution fiable du champ magnétique à travers différentes structures de la section d'essais. à cet effet, nous considérons dans le cadre de ce mémoire le volume integral equation method (VIEM), une méthode bien établie basée sur les solutions intégrales des équations de Maxwell. Plus précisément, nous employons le VIEM afin d'étudier la distribution du champ magétique à l'intérieur de la section d'essais et pour déterminer l'influence des prises conçues pour le branchement des capteurs de pression sur la symétrie de cette distribution. Étant donné que les méthodes intégrales incluent les conditions aux limites et par conséquent ne requièrent pas l'emploi d'un critère de convergence, nous proposons une nouvelle technique de discrétisation. L'emploi de cette procédure nous permet de raffiner nos calculs et de diminuer les erreurs numériques dans les régions physiques qui nous intéressent, notamment, aux proximités des discontinuités ferromagnétiques. Avant d'utiliser la méthode du VIEM nous avons comparé les prédictions avec des calculs analytiques. À cet égard, il faut mentionner que la complexité des problèmes magnétiques limite le traitement analytique aux cas simples,c.-à-d., ayant une certaine symétrie ou étant invariant par translation. Pour le traitement de ces types de problèmes, la méthode proposée dans ce mémoire produit d'excellents résultats.

Abstract

Given all the different parameters considered during the safety analysis of a nuclear reactor,the critical heat flux (CHF) is one of the most important. In order to study the CHF under relatively safe experimental conditions, the heat emitted by the nuclear fuel can be reproduced using Joule heating. That being said, to generate the thermal power required for the CHF tests of CANDU reactors, electric currents in the order of many tens of thousands of amperes are required, which in turn generates very intense magnetostatic fields capable of interacting with both the test section and the instrumentation. Thus, the nuclear industry is very preoccupied by the effects of the magnetic field on the data collected and by the magnetic forces acting on the system. In this sense, the work presented in this thesis aims at the implementation of a calculation methodology capable of giving detailed information on the magnetic field generated by these currents. However, given the complexity of the system, an appropriate magnetostatic study requires a numerical method in order to obtain a reliable magnetic field distribution throughout each structure of the test section. Thus, we consider in the context of this thesis the volume integral equation method (VIEM), a well-established method based on integral solutions of Maxwell's equations. More precisely, we use the VIEM to study the symmetry of the magnetic field within the test section and to determine the influence of inlets designed for the attachment of pressure sensors. Given the fact that integral methods include boundary conditions and consequently do not require the use of a convergence criterion, we propose a new discretization technique. The use of this procedure permits us to refine our calculations and diminish the numerical errors in the physical regions of interest, namely, in the vicinity of ferromagnetic discontinuities. Before using the VIEM method we compared the predicted values with analytical calculations. To this end, the complexity of magnetic problems limits the analytical treatment to simple cases, that is to say, having a certain symmetry or being translation invariant. For the treatment of this kind of problem, the numerical method proposed in this master's thesis produces excellent results. Following the validation of the VIEM, we use it to simulate the distribution of the magnetic field in the test section.