Instabilité du flux
En général, un certain nombre d’instabilités peuvent se produire dans les systèmes à deux phases . En génie nucléaire , l’étude de la stabilité des flux polyphasiques est importante pour la gestion des accidents dans les réacteurs à eau sous pression et de la plus haute importance dans des conditions normales / anormales dans des réacteurs à eau bouillante .
Dans les REP en fonctionnement normal, le débit est considéré comme monophasé. Mais de nombreuses études ont été menées sur l’instabilité du débit en cas de transitoires et d’accidents (tels que l’ accident de perte de réfrigérant – LOCA ou déclenchement de RCP en présence de circulation naturelle ) , dans lesquels des oscillations ou des inversions de débit peuvent se produire. se produire.
Les oscillations d’écoulement sont des variations d’écoulement provoquées notamment par des formations de vide et qui sont indésirables pour plusieurs raisons.
- Les oscillations de l’écoulement peuvent entraîner des contraintes mécaniques indésirables sur les composants du carburant (telles que les grilles d’espacement). Cela peut entraîner une défaillance de ces composants en raison de la fatigue.
- Les oscillations de flux affectent les caractéristiques de transfert de chaleur local . Dans le cas des REP , le problème de sécurité critique est appelé DNB ( départ de l’ébullition nucléée ), ce qui provoque la formation d’une couche de vapeur locale , entraînant une réduction considérable de la capacité de transfert de chaleur. Des tests ont montré que le flux de chaleur critique (CHF) nécessaire pour sortir de l’ébullition nucléée (DNB) peut être réduit jusqu’à 40% lorsque le flux oscille. Cela réduit considérablement la limite thermique et la densité de puissance sur la longueur du cœur du réacteur .
Les oscillations de débit peuvent être un problème lors des opérations de circulation naturelle (par exemple, après le déclenchement de tous les RCP). La circulation naturelle est une caractéristique de conception importante et un mécanisme ultime d’évacuation de la chaleur. En raison des faibles débits présents, un liquide de refroidissement en ébullition peut se produire et provoquer des oscillations de l’écoulement. Pendant la circulation naturelle, les bulles de vapeur formées lors d’une oscillation d’écoulement peuvent avoir un effet suffisant pour provoquer l’inversion complète de l’écoulement dans le canal affecté.
Dans les REB, l’ évaporation du liquide de refroidissement se produit en fonctionnement normal et constitue un phénomène très souhaité. D’autre part, l’évaporation par convection dans le canal de carburant entraîne une modification de la configuration du flux le long du canal de carburant en fonction du débit et de la puissance thermique. Il a été constaté qu’il existe des régions d’instabilité dans lesquelles des instabilités de flux diphasiques peuvent survenir. Ces instabilités d’écoulement en deux phases ne sont pas souhaitables car elles peuvent entraîner des vibrations mécaniques et des problèmes de contrôle du système, affecter le fonctionnement normal, restreindre les paramètres de fonctionnement et affecter la sécurité du réacteur. Il faut noter que la stabilité du débit dans les REB n’est pas un problème majeur depuis de nombreuses années, car c’est un phénomène bien connu.
En général, il existe de nombreuses classifications des instabilités de flux. La classification suivante est basée sur les mécanismes fondamentaux thermo-hydrauliques:
Les instabilités statiques sont:
- Excursion d’écoulement
- Crise bouillonnante
- Types de relaxation, y compris la transition du schéma d’écoulement
Les instabilités dynamiques sont:
- Oscillations des ondes de densité
- Oscillations de chute de pression
- Oscillations thermiques .
La bonne caractérisation des instabilités et les conditions de leur apparition peuvent déterminer un fonctionnement optimal et sûr des systèmes. L’explication la plus acceptée pour l’apparition du type dynamique d’instabilités appelé oscillations d’onde de densité (DWO) .
L’onde de densité provoque un retard dans la chute de pression locale qui est causé par une modification du débit d’entrée. En raison de ce retard, la somme de toutes les chutes de pression locales peut entraîner une chute totale déphasée par rapport au débit d’entrée. Le mécanisme de base à l’origine des instabilités d’écoulement dans les REB est l’onde de densité. Les périodes caractéristiques de ces oscillations sont associées au temps nécessaire à une particule fluide pour parcourir toute la boucle.
Types d’instabilités observées dans les REB
- Instabilités du système de contrôle. Les instabilités du système de contrôle sont liées à l’action des contrôleurs qui, à travers des actionneurs, tentent de réguler certaines des variables du réacteur.
- Instabilités de flux de canaux. Ce type d’instabilité peut être décrit comme suit: Supposons une perturbation de l’écoulement. Cette perturbation provoque une «vague» de vides se déplaçant vers le haut à travers le canal, produisant une chute de pression en deux phases (la chute de pression augmente considérablement à mesure que la fraction de vide augmente) qui est retardée par rapport à la perturbation d’origine. Une augmentation de la chute de pression du canal (onde de densité) peut entraîner une instabilité du débit.
- Instabilité neutronique-thermohydraulique couplée. Le type d’instabilités dominant dans les REB commerciaux est l’instabilité couplée neutronique-thermohydraulique (également connue sous le nom d’ instabilité de réactivité ). La production d’électricité dans les REB est directement liée au flux de neutrons du combustible , qui est fortement lié à la fraction de vide moyenne dans les canaux centraux. Cet effet est connu sous le nom de rétroaction de réactivité . La rétroaction de réactivité causée par des changements dans la fraction de vide ( coefficient de vide ) est retardée lorsque les vides se déplacent vers le haut à travers le canal de carburant. Dans certains cas, le retard peut être suffisamment long et le retour d’information nulpeut être suffisamment solide pour que la configuration du réacteur devienne instable. Dans ce cas, le flux neutronique peut osciller.
Références spéciales:
- Francesco D’Auria, The BWR Stability Issue, THICKET 2008 – Session IX – Paper 26
- Dag Strømsvåg, Mécanismes fondamentaux des oscillations des ondes de densité et effet du sous-refroidissement, NTNU, 2011.
- J. March-Leuba, Instabilité de la densité des ondes dans les réacteurs à eau bouillante. NUREG / CR-6003, ORNL, 1992.
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