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Etude d’une expérience de convection naturelle pour la sécurité des réacteurs de nouvelle génération

English Web Page. Cette proposition de stage a été pourvue, néanmoins si vous êtes intéressé par cette thématique et pensez avoir un profil correspondant, n’hésitez pas à nous contacter pour une candidature spontanée.
Publié le 14 septembre 2020
Contexte :
la sécurité des réacteurs nucléaires est directement liée à leur bon refroidissement. La thermohydraulique est donc un sujet majeur de sécurité au sein du CEA. Le bon refroidissement des cœurs de réacteurs est assuré par la convection forcée d’eau sous pression (filière REP). En cas d’incident, la chute des barres de contrôle arrête brusquement les réactions de fission. Toutefois, une certaine puissance est encore dégagée dans le cœur, qui doit être évacuée. Afin d’augmenter encore la sureté de l’installation, il serait intéressant que le refroidissement du cœur à l’arrêt soit assuré par un dispositif entièrement passif. Une telle fonction pourrait être assurée par la convection naturelle, dès l’instant où l’on s’assure que celle‐ci sera suffisante pour évacuer vers l’extérieur l’énergie résiduelle dégagée par le cœur. C’est un des objectifs du nouveau programme de Recherche et Développement sur les SMR (acronyme anglais pour « Small Modular Reactors » : Figure ci-dessous).
Des réacteurs nucléaires installés dans une enceinte contenant de l’eau pour leur refroidissement par convection naturelle.

Ce nouveau programme vise à concevoir des réacteurs de dimension inférieure à celle des réacteurs actuels (on vise typiquement des puissances de 200 MW). Toutefois le transfert de chaleur associé à la convection naturelle est un phénomène complexe, car il peut devenir turbulent et donc difficile à simuler par CFD. Pour caractériser une situation de convection naturelle on a coutume d’introduire le nombre de Rayleigh Ra:

Où α est le coefficient de dilatation thermique du fluide de refroidissement, g l’accélération de la pesanteur, ΔT la différence de température entre le fluide et le cœur, L la dimension de l’expérience, υ la viscosité cinématique, κ la diffusivité thermique du fluide. Ra décrit le rapport entre le transport par convection naturelle et le transport diffusif. Si les codes numériques sont capables d’appréhender le transfert de chaleur pour des nombres Rayleigh modestes, en revanche pour le cas qui nous occupe, la gamme de Rayleigh se situe bien au‐delà de 1012, valeur pour laquelle le transport de chaleur est turbulent. De plus, on a fort peu de données de corrélations pour les nombres de Rayleigh au‐delà de 1012. C’est pourquoi le recours à l’expérience est indispensable. Toutefois, une expérience représentative d’un SMR et utilisant l’eau comme fluide de refroidissement serait de même taille qu’un SMR, et serait donc décamétrique. En remplaçant l’eau par un fluide ayant des propriétés quelque peu différentes (avec un facteur (α /υ κ) bien plus grand que l’eau), il serait possible de concevoir une expérience de dimension L bien inférieure, et donc moins chère en investissement et en fonctionnement. L’hélium cryogénique semble un bon candidat. En effet il a permis, dans un contexte académique, d’étudier le transfert de chaleur à très haut nombre de Rayleigh (jusqu’à 1015), permettant d’identifier un régime turbulent jusqu’alors seulement prédit théoriquement [1].

Sujet de stage :
Le stagiaire recensera les corrélations existantes pour le transfert de chaleur en convection naturelle pertinentes pour le cas des SMR, et leur limite de validité. La référence [2] est assurément un outil avec lequel démarrer au mieux ce travail. Sur cette base, et avec les scénarios de situation incidentelle, le stagiaire établira les nombres de Rayleigh mis en jeu pour les différentes parties d’un SMR (plateau supérieur, diamètre externe...).
Il s’agira ensuite de déterminer quelles conditions en hélium cryogénique (températures chaude et froide, hauteur, diamètre, puissance à évacuer...) peuvent permettre de réaliser des situations en similitude de Rayleigh. Pour cela, le stagiaire disposera des librairies Hepak et Coolprop, qui permettent de calculer les propriétés de l’hélium en fonction de la température.
Dans le temps restant, et suivant le goût et les compétences du stagiaire, l’une ou l’autre des études suivantes pourra être menée: (i) une étude bibliographique sur la connaissance des propriétés de l’hélium non loin de son point critique pourra être menée, permettant de préciser quelles mesures complémentaires il faudra mener pour étoffer notre connaissance des propriétés de l’hélium. (ii) un avant‐projet sommaire d’expérience cryogénique pourra être proposé, en vue de la conception et de la réalisation d’une expérience cryogénique en similitude de Rayleigh d’un SMR.

[1] Chavanne, X., F. Chillà, B. Castaing, B. Hébral, B. Chabaud and J. Chaussy, « Observation of the ultimate regime in Rayleigh‐Bénard convection », Physical Review Letters 79(19): 3648‐3651 (1997)
[2] Incropera, DeWitt, « Fundamentals of Heat and Mass Transfer » John Wiley & Sons, 2002.

Profil recherché :
Mécanique des fluides ; transferts thermiques.

Contacts :
Alain Girard, 04.38.78.43.65
Jean‐Marc Poncet , 04.38.78.57.46