Aktis n°32 sep 19 à fév 2020
Aktis n°32 sep 19 à fév 2020
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°32 de sep 19 à fév 2020

  • Périodicité : trimestriel

  • Editeur : Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire

  • Format : (150 x 210) mm

  • Nombre de pages : 12

  • Taille du fichier PDF : 2,5 Mo

  • Dans ce numéro : le comportement des poussières dans le Tokamak, clé du risque d’explosion dans Iter.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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CEA (Institut de recherche sur la fusion par confinement magnétique et Institut des sciences du vivant Frédéric Joliot), projet européen Enabling Research (consortium Eurofusion). CONTACTS Emmanuel Porcheron emmanuel.porcheron @irsn.fr Samuel Peillon samuel.peillon @irsn.fr François Gensdarmes françois.gensdarmes @irsn.fr Laboratoire de physique et de métrologie des aérosols - LPMA Thomas Gelain thomas.gelain @irsn.fr Laboratoire d’expérimentations et de modélisation en aérodispersion et confinement - LEMAC Ahmed Bentaib ahmed.bentaib @irsn.fr Service des accidents graves - SAG 6 (1) La chambre à vide est une enceinte en acier inoxydable. 45 trappes fermées durant le fonctionnement de l’installation permettront d’effectuer les opérations de maintenance et d’obtenir le vide. C’est la présence de ces ouvertures qui induit un risque d’entrée d’air ou d’eau dans la chambre à vide. Dans le cas du LOVA, et selon leur concentration, les poussières de métal peuvent exploser à la suite de la combustion de l’hydrogène. Dans le cas de l’ICE, la vapeur d’eau produite fait augmenter la Aktis n°32 – automne 2019 ITER, Explosion, Aérosols Le COMPORTEMENT des poussières dans le TOKAMAK, clé du risque d’EXPLOSION dans ITER L’IRSN mène depuis plusieurs années des recherches sur certains phénomènes physiques pouvant avoir un fort impact sur la sûreté de l’installation de fusion ITER. Il s’agit de disposer des connaissances utiles à l’analyse des rapports de sûreté associés à la demande de la mise en service de l’installation. Les deux principaux accidents majeurs envisagés pouvant conduire à la dissémination des produits radioactifs sont l’accident de perte de vide par entrée d’air dans la chambre à vide (Loss of Vacuum by Air Ingress ou LOVA) et l’accident d’entrée d’eau (Ingress of Coolant Event ou ICE). La présence d’oxygène et de vapeur d’eau, dans ce système sous vide et inerté en conditions normales, serait susceptible d’entraîner l’explosion des poussières métalliques de béryllium et de tungstène produites pendant le fonctionnement de l’installation, si elles étaient mises en suspension par l’écoulement d’entrée d’air ou d’eau. Ces explosions conduiraient à la destruction de la chambre à vide et, par conséquent, à la dissémination des poussières extrêmement toxiques de béryllium et de tungstène associées au tritium. Le comportement des poussières lors de ces accidents est donc un phénomène clé que l’IRSN étudie depuis quelques années et dont les premiers résultats ont été mis à profit dans les avis de l’IRSN associés à l’analyse des dossiers de démonstration de sûreté de l’installation ITER. Lorsqu’on parle de fusion pour générer de l’énergie, il s’agit de porter des atomes de tritium et de deutérium à une température de 150 à 300 millions de degrés afin de créer un plasma suffisamment agité pour que les noyaux puissent fusionner en dégageant de l’énergie. Dans l’installation ITER, le plasma est créé dans un tokamak, une chambre en forme de tore sous un vide poussé, où il est maintenu à distance des parois à l’aide de champs magnétiques très intenses. Les parois du tokamak en acier sont recouvertes sur leur face interne de tungstène et de béryllium, deux matériaux capables de résister aux conditions de chaleur et de pression extrêmes ainsi qu’aux flux de neutrons émis par les réactions nucléaires dans le plasma. Lors du fonctionnement d’ITER, les matériaux faisant face au plasma auront à subir des flux de neutrons et des flux de chaleur de plusieurs mégawatts par mètre carré, voire un contact avec le plasma lors d’instabilités du confinement magnétique appelées disruptions, ce qui aura pour effet de les éroder. Des centaines de kilogrammes de poussières de béryllium et de tungstène seront ainsi produites dans la chambre FOCUS à vide (1) et sédimenteront rapidement sur les parois entre deux opérations de dépoussiérage (2) par des robots. Si de la vapeur d’eau ou de l’air entrait accidentellement dans cette enceinte, l’écoulement aéraulique induit mettrait en suspension les poussières déposées. L’oxygène Champs de vélocité du flux d’air dans le tore de ITER et contour du jet d’air 25 s après l’entrée d’air. L’installation est située à côté du centre de Cadarache, dans les Bouches-du-Rhône. © T. Gelain/IRSN Fusion Engineering and Design 100 (2015) 87–99
apporté rendrait inflammable l’atmosphère de la chambre à vide et pourrait provoquer la combustion du deutérium et du tritium, isotopes de l’hydrogène. L’énergie ainsi produite serait susceptible de déclencher l’explosion des poussières pouvant mener à la destruction de l’enceinte. Aussi, la quantité de poussières remise en suspension est un paramètre très important pour évaluer la pression générée par l’explosion. Comprendre et modéliser le phénomène de la remise en suspension des particules dans les conditions d’un accident LOVA ou ICE est donc crucial. Il résulte de la compétition entre les forces de frottement dues aux écoulements d’air et les forces d’adhérence (3) . Mais, dans ITER, sa représentation est complexe car la perte de vide entraîne l’évolution des caractéristiques des flux d’air dans le temps et dans l’espace. Des travaux de recherche, menés notamment dans le cadre de thèses de doctorat, ont été lancés à l’IRSN pour modéliser le phénomène de remise en suspension de particules lors d’un scénario LOVA. Une thèse expérimentale (soutenue par Antony Rondeau en 2015) a d’abord permis de quantifier les vitesses d’écoulement d’air nécessaires pour décoller les particules et les remettre en suspension dans les conditions de pression allant de la pression atmosphérique à 10 millibars. Mettant en œuvre plusieurs types de dépôts de particule, le doctorant a mesuré ces vitesses dans des chambres aérauliques à l’IRSN (installation BISE) et à l’université d’Aarhus au Danemark (installation AWTS-II). En parallèle, des essais de perte de vide par entrée d’air ont été réalisés dans l’installation TOSQAN de l’IRSN, pour des conditions initiales de vide primaire (1 mbar). Forces d’adhésion par mesure directe à l’AFM Les forces d’adhésion des particules sur des surfaces rugueuses, qui font actuellement l’objet de la thèse de Samuel Peillon, sont difficilement mesurables en raison de leur complexité : elles dépendent notamment des conditions d’humidité et de température, de la géométrie (taille, rugosité) des surfaces en contact et des interactions chimiques. Les premiers travaux du doctorant ont permis de quantifier ces forces par une mesure directe à l’aide d’un microscope à force atomique (AFM) sur une seule Champs de vitesses des particules lors d’une entrée d’air à basse pression simulée dans l’installation TOSQAN. En bleu, 100 m.s -1 ; en rouge, 1 000 m.s -1 © E. Porcheron/IRSN particule (4) , en utilisant des sphères de tungstène micrométriques sur des surfaces de tungstène de différentes rugosités. La forme sphérique permet de comparer plus simplement les modèles existants pour les forces d’adhésion avec les mesures relevées. Les mesures obtenues pour les forces d’adhésion ont montré un bon accord avec un modèle théorique prenant en compte la rugosité des surfaces. Ce modèle pourrait ainsi remplacer les corrélations empiriques classiquement utilisées dans les modèles de mise en suspension. De plus, l’analyse de ces données expérimentales a montré qu’une rugosité de surface de l’ordre du micromètre (semblable à celle des surfaces dégradées par un plasma) diminue l’adhérence des particules de deux ordres de grandeur par rapport à ce qui se produit sur une surface parfaitement lisse. Ceci implique nécessairement une augmentation de la quantité de particules remises en suspension pour un scénario donné. Par ailleurs, l’IRSN a implémenté le modèle de remise en suspension de particules Rock’n’Roll (proposé en 2001 par M. W. Reeks et D. Hall) dans un logiciel de simulation de type CFD (Computationnal Fluid Dynamics). Des simulations numériques des flux d’air et de la remise en suspension ont ainsi pu être réalisées dans une géométrie représentative d’un tokamak lors d’une perte de vide. Elles ont permis de calculer l’évolution des vitesses de frottement de l’air le long des parois de la chambre à vide, qui jouent un rôle fondamental dans la remise en suspension, puis d’en déduire les forces FOCUS pression interne qui se transfère, avec l’hydrogène produit, dans des réservoirs de décharge non inertés, rendant possible l’explosion. (2) La sûreté de l’installation impose que la masse de poussières métallique ne dépasse pas quelques centaines de kilogrammes, et environ 1 kilogramme pour le tritium. (3) La gravité, les forces de Van der Waals et autres forces électrostatiques. (4) Contrairement aux méthodes existantes qui mesurent la force opposée à la force d’adhésion d’un ensemble de particules. PUBLICATIONS • Étude de la mise en suspension aéraulique appliquée à la problématique des poussières dans le futur tokamak ITER, thèse soutenue par Anthony Rondeau le 7 décembre 2015 à l’université Paris-Saclay, École doctorale des sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences, spécialité : mécanique des fluides. Aktis n°32 – automne 2019 7



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