Étude des écoulements critiques (bloqués) pour des fluides aux états sous et sur critiques

Les investissements en R & D au niveau mondial sont déterminés pour permettre le développement d'une filière nucléaire plus moderne, c.-à-d. qu'elle doit remplacer la technologie actuelle. Le forum international de Génération IV a proposé six concepts nouveaux de réacteurs nucléaires dont les enjeux sont la compétitivité économique, la sûreté et la résistance par rapport à la prolifération. Le concept du SCWR, «Supercritical Water-Cooled Reactors», un des réacteurs proposés par le forum, utilise de l'eau dans son état supercritique c.-à-d. au-dessus de son point critique thermodynamique comme fluide de refroidissement. Il est envisagé que ceci permettra une température du caloporteur à la sortie qui peut varier entre 773K à 898 K, l'enthalpie du flux de sortie sera beaucoup plus élevée et donc le rendement sera augmenté sans la crise d'ébullition qui conduit à des risques de flux de chaleur critique (assèchement et/ou caléfaction). Par contre les analyses de sûreté pour les SCWR sont peu nombreuses. Le présent travail de recherche s'inscrit dans ce cadre, en proposant une étude de phénomènes physiques qui peuvent avoir lieu lors d'un accident de fuite de caloporteur pour les réacteurs à hautes pressions, suite à une rupture au niveau du circuit de refroidissement. D'abord on étudiera les cas des débits bloqués (choking flow), c.-à-d. le flux massique maximal atteint par un fluide compressible qui s'écoule d'un milieu sous pression vers un autre de pression plus faible. Ceci se produit lorsque la vitesse de l'écoulement atteint la vitesse sonique. Par la suite on abordera la présence de l'onde de choc, signifiant des variations très rapides de la masse volumique, de la pression et de la vitesse du fluide sur des distances très faibles. Une modélisation réelle du comportement thermo-hydraulique est donc importante si un pareil accident se produit. Une étude sur le débit bloqué pour le mélange diphasique eau-vapeur est effectuée en utilisant les modèles hydrodynamiques et aussi par le biais de l'estimation de la vitesse sonique, ainsi qu'en considérant l'hypothèse d'une masse volumique homogène pour le mélange. Pour les écoulements d'eau supercritique, nous proposons deux modèles pour calculer le débit maximal de fuite et nous présentons des résultats originaux du débit bloqué mesuré en utilisant une section d'essais divergente. Le premier modèle développé, considère que le fluide à l'état supercritique subit une détente polytropique qui lui permet de rester dans un état monophasique lors de sa décharge.

Abstract

Global R&D investments were proposed to allow the nuclear industry to be developed, by replacing the current power reactor technologies. Within this framework, the International Forum of Generation IV proposed six new concepts of nuclear reactors focusing on economic competitiveness, safety and proliferation resistance. The concept of SWCR, "Supercritical Water-Cooled Reactors", one of the reactors proposed by the forum, uses water at supercritical conditions, i.e. above its thermodynamic critical state. It is expected that this condition will permit an outlet coolant temperature ranging between 773K to 898K to be achieved. Therefore, the enthalpy of the exit flow will be much higher and thus, the efficiency will be increased without the boiling crisis which can lead to risks of critical heat flux. Nevertheless, there are few safety analyses for SCWR's. To this aim, this thesis tackles the development of quantitative and qualitative studies of physical phenomena that can occur during a loss of coolant accident due to the eventual rupture of the cooling system, which can provoke a reactor vessel depressurization, compromising the integrity of the reactor core. One problem is related to the choking flow, which is the maximum mass flow rate of a compressible fluid flowing through nozzles, orifices and sudden expansions, i.e. when the flow's velocity reaches sonic speed. A second quite complex physical process is the presence of shock waves, which means very rapid variations in the density, pressure and velocity of the fluid over very small distances. A real modeling of the thermo-hydraulic behavior is therefore important to perform safety analyses for such types of accident A study on the choked flow phenomena for the two-phase liquid-vapor mixture is carried out using hydrodynamic models, also by estimating the sonic speed and considering the hypothesis of a homogeneous density for the mixture. In this work, we proposed two models to estimate the critical mass flux of supercritical water and we present original results of the choked flow measured using a divergent test section installed in a supercritical facility. In a first step we developed a simple model based on a polytropic thermodynamics process. We assumed that the flow can expand between complete thermal equilibrium fully irreversible and completely isentropic. It is obvious that such an approach means a transformation of the thermodynamic of the fluid remaining in a monophasic state along the discharge. A quite good agreement between the theoretical and experimental results was obtained using expansion coefficient n =1,15. A second model that includes viscosity effects is also presented in this thesis.