Aktis n°23 jan à aoû 2016
Aktis n°23 jan à aoû 2016
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°23 de jan à aoû 2016

  • Périodicité : trimestriel

  • Editeur : Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire

  • Format : (150 x 210) mm

  • Nombre de pages : 16

  • Taille du fichier PDF : 2,1 Mo

  • Dans ce numéro : la recherche sur les accidents de réacteurs nucléaires.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

Dans ce numéro...
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Programme THAI2, Institut Jülich, CNRS/Icare CONTACT AhmedBentaïb ahmed.bentaïb @irsn.fr Bureau d’études et d’expertises en accident grave et rejets radioactifs - B2EGR (1) Programme « Investissements d’avenir » dans le domaine « Recherche en matière de sûreté nucléaire et de radioprotection (RSNR) ». (2) Lors d’un accident avec fusion du cœur, l’hydrogène provient de l’oxydation des gaines du combustible nucléaire par la vapeur d’eau, puis de l’interaction hors cuve entre le béton de l’enceinte de confinement et le combustible fondu (ou corium). (3) Les recombineurs autocatalytiques passifs catalysent la réaction de l’hydrogène avec l’oxygène présent dans l’atmosphère, produisant de la vapeur d’eau, et en limitant ainsi la concentration. (4) Le benchmark ISP49 a été organisé dans le cadre de l’OCDE/AEN en 2010 ; d’autres benchmarks ont été organisés dans le cadre du réseau européen SARNET en 2010 et 2012. 6 Aktis n°23 – janvier-mars 2016 Accidents de fusion du cœur Mieux PRÉVENIR le RISQUE d'explosion d’explosion D’HYDROGÈNE Avec quatre explosions aux conséquences majeures sur les bâtiments de la centrale, l’accident de Fukushima a confirmé que le risque d’explosion d’hydrogène, pouvant mener à une défaillance précoce du confinement, doit être considéré avec une grande attention. Des travaux de R&D par le passé ont conduit à installer dans les réacteurs français des recombineurs (3) pour limiter le risque d’explosion. L’accident japonais incite à renforcer les connaissances dans deux directions  : identifier les limites de performance des recombineurs et mieux caractériser les régimes de combustion pouvant survenir en situation accidentelle afin de distinguer – en vue de les éviter - ceux qui sont les plus endommageants pour le confinement des matières radioactives et pour les équipements nécessaires à la gestion d’un accident grave. Lors de l’accident survenu en 2011 dans la centrale de Fukushima Daïchi au Japon, quatre explosions d’hydrogène se sont produites et ont endommagé à des degrés divers les bâtiments. L’explosion est une combustion dont la flamme se propage de quelques centaines de mètres par seconde (on parle alors de déflagration, cas probable des tranches 1, 2 et 4 à Fukushima) à plus de mille mètres par seconde (il s’agit alors d’une détonation après un régime de transition (TDD)), qui correspond au cas du réacteur 3. L’accident a mis en exergue la nécessité d’approfondir les connaissances en matière d’explosion d’hydrogène et de ses conséquences. Ainsi, dans le domaine du « risque hydrogène », pouvant conduire à la perte du confinement par explosion d’hydrogène (2), l’Institut a renforcé sa participation au programme THAI de l’OCDE (THAI 2007-2010 et THAI2 2011-2014). Dans ce cadre, l’IRSN a analysé les performances, dans des situations extrêmes, des recombineurs autocatalytiques passifs (RAPs) (3) qui équipent déjà les réacteurs français en exploitation. Il a par ailleurs approfondi la compréhension des mécanismes régissant la propagation de flammes. Les expériences réalisées dans le cadre de ces programmes ont mis en évidence l’impact d’un déficit en oxygène sur le comportement et les performances des recombineurs. De plus, il est apparu que dans certaines conditions, le catalyseur et son support sont portés à une température suffisante pour enflammer l’hydrogène à l’intérieur du dispositif. En analysant ces expériences à l’aide de son logiciel de simulation SPARK GLO, l’IRSN a carac té - risé la composition des mélanges (H 2/O 2/N 2/H 2O) menant à cette situation. Il est apparu que ces AVANCÉES DE LA RECHERCHE inflammations conduisent à des régimes de combustion lente avec des charges en pression non dommageables pour l’enceinte de confinement, mais avec des charges en température dont les effets sur les structures et équipements nécessaires à la gestion d’un accident grave devraient être évalués. Modélisation des recombineurs Pour étendre ces investigations à une large palette de situations d’accident grave, notamment dans la phase tardive, l’IRSN collabore avec l’institut Jülich dans le cadre du programme allemand REKO GLO. L’objectif de ce programme est d’étudier l’influence du monoxyde de carbone ou CO (généré en même temps que l’hydrogène par l’interaction hors cuve du combustible fondu sur le béton) sur l’efficacité des recombineurs. En effet, le CO peut, selon les cas, empêcher la recombinaison de l’hydrogène en bloquant les sites actifs situés sur les plaques catalytiques des RAPs ou réagir avec l’oxygène pour produire du CO 2. Une première série de 33 expériences réalisées en 2014 montre, d’une part, que la recombinaison de l’hydrogène n’est pas affectée par celle du monoxyde de carbone et, d’autre part, que la recombinaison du CO est significativement moins efficace et rapide que celle de l’hydrogène. Ces observations ont été confortées par des investigations menées notamment à l’aide du logiciel SPARK. L’ensemble de ces résultats a permis d’une part de faire bénéficier SPARK des améliorations apportées à la modélisation des recombineurs pour une évaluation plus performante du risque hydrogène. Par ailleurs, ces résultats pointent une perte
des performances des RAPs dans les atmosphères représentatives des phases tardives d’un accident grave (atmosphères pauvres en oxygène et contenant de l’H 2 et du CO) ; ce qui met en évidence le risque de transfert de gaz riches en hydrogène et en CO de l’enceinte de confinement vers les bâtiments annexes et, par conséquent, de formation d’atmosphère risquant d’exploser dans ces bâtiments. La consolidation de ces résultats, ainsi que l’investigation de quelques points encore incertains, font partie des recherches à venir. Description de vitesse de flamme Après l’accident de Fukushima, le gouvernement français a lancé un appel à projets (1) pour approfondir les connaissances dans le domaine de la sûreté. Parmi les lauréats, le projet MITHYGENE est coordonné par l’IRSN. Il vise à mieux évaluer le risque d’occurrence d’une explosion en tenant compte des moyens de mitigation et à mieux en estimer les conséquences sur le confinement et sur le fonctionnement des équipements nécessaires à la gestion d’un accident grave. En effet, malgré la présence des recombineurs, les études réalisées à l’IRSN montrent que le risque d’explosion d’hydrogène lors d’un accident grave ne peut pas être définitivement éliminé. Aussi, l’IRSN développe des outils de calcul permettant d’évaluer les charges en pression et en température résultant d’une explosion d’hydrogène, afin d’évaluer les conséquences sur la tenue du confinement. La combustion y est décrite à l’aide de modèles de vitesse de flamme dits BVM (Burning Velocity Model) ajustés à partir d’expérimentations. Ce type d’approche est utilisé dans la plupart des logiciels modélisant l’explosion de gaz. Les benchmarks ISP49 et SARNET (4) ont mis en évidence la difficulté des logiciels actuels (adoptant ou non un BVM) à prédire de manière satisfaisante les phases d’accélération et de décélération de flammes de prémélange d’hydrogène ainsi que leur incapacité à prédire les extinctions de flamme. Ces benchmarks ont montré la nécessité d’améliorer les modèles de vitesses de flammes, et incité l’IRSN à développer un outil de simulation, P²REMICS, destiné à modéliser une explosion et ses conséquences. Une thèse menée par Jules Goulier a contribué à cette modélisation en caractérisant des régimes de turbulence des flammes. Les expériences ont été menées en collaboration avec le CNRS/Icare. Jules Goulier a conçu une fige> elege4. itSetà. errf 0 tpm 1000 tpm 2000 tpm 3000 tpm 4000 tpm Impact de la turbulence sur la forme de la flamme (mélange 16% vol H2 + 84% vol air avec différentes vitesses de rotation des hélices de 0 tpm à 4 000 tpm). IRSN/CNRS/Icare « bombe » sphérique originale équipée de ventilateurs permettant de créer des flammes dans un milieu turbulent isotrope et de contrôler l’intensité de la turbulence initiale. Les résultats de la thèse ont permis de vérifier et de valider les modèles de vitesses de flammes laminaires GLO, et de proposer un modèle de vitesse de flamme turbulente GLO en fonction de l’intensité de la turbulence. Le modèle de vitesse de flamme turbulente ainsi élaboré, sera implanté notamment dans les outils utilisés à l’IRSN ; il sera validé sur la base des résultats des expériences de déflagration, de TDD et de détonation qui seront réalisées dans le cadre du projet MITHYGENE dans l’installation ENACCEF2 en cours d’installation dans les locaux du CNRS/Icare. Ces travaux permettront in fine d’améliorer la capacité des logiciels de l’IRSN à prédire les accélérations, les décélérations et les étouffements des flammes ainsi que la transition vers les régimes de détonation. Bombe sphérique équipée d’hélices pour l’étude de flamme turbulente. IRSN/CNRS/Icare 9 En savoir plus sur le programme THAI PUBLICATIONS Meynet N. et al. « Impact of oxygen starvation on operation and potential gas-phase ignition of passive auto-catalytic recombiners », Combustion and Flame 161 (2014) 2192–2202. Bentaïb A. et al. « Overview on hydrogen risk research and development activities : methodology and open issues », Nucl Eng Techno 47, issue 1 (2015) 26-32. Klauck M. et al. « Passive auto-catalytic recombiners operation in the presence of hydrogen and carbon monoxide : Experimental study and model development », Nuclear Engineering and Design 266 (2014) 137– 147. Comportements aux limites de flammes de prémélange hydrogène/air/diluants. Étude de la transition flamme laminaire-flamme turbulente, thèse soutenue par Jules Goulier le 2 novembre 2015 à l’université d’Orléans. Aktis n°23 – janvier-mars 2016 7



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