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Thèse V. Scheiff - 13 décembre

4 décembre

« Etude expérimentale et modélisation du transfert de chaleur de l’ébullition transitoire »,

Soutenance de thèse Valentin Scheiff

Jeudi 13 décembre à 13 h 30 - amphithéâtre Nougaro

L’étude de l’ébullition transitoire est un enjeu important pour la sureté nucléaire. Un tel phénomène peut se produire lors d’un accident de type RIA (Reactivity Initiated Accident) dans un réacteur nucléaire où le pic de puissance au niveau d’un crayon de combustible peut déclencher une ébullition transitoire conduisant à une forte augmentation de la température de la gaine. L’évolution est tellement rapide qu’aucun régime de transfert de chaleur n’a le temps de s’établir.

Quelques études en conditions réacteurs ont permis d’obtenir des courbes d’ébullition transitoires mais la modélisation qui en découle manque encore de fiabilité. Dans le cadre d’une collaboration avec l’IRSN, une expérience modèle a été construite à l’institut de mécanique des fluides de Toulouse. Elle génère un écoulement de réfrigérant HFE7000 dans un canal de section semi-annulaire, simulant l’écoulement autour d’un crayon de combustible, dont la partie intérieure, composée d’une feuille de métal, est chauffée rapidement par effet Joule, simulant l’échauffement de la gaine du crayon.

La thermographie infra-rouge permet de mesurer la température de la paroi externe du métal. L’application d’une peinture noire sur le métal augmente son émissivité mais aussi la résistance thermique de la paroi. Une optimisation de l’estimation de la température interne du clinquant, qui est la grandeur d’intérêt, a été réalisée en fonction de l’épaisseur de la peinture. Ces mesures sont couplées avec une caméra rapide qui permet de visualiser les régimes d’ébullition et d’obtenir des tailles de bulles à l’aide de la mise en place d’algorithmes de traitement d’image.

La représentation des transferts thermiques sur une courbe d’ébullition des régimes stationnaire et transitoire est étudiée et discutée. La hauteur de chauffe étant assez importante pour considérer des phénomènes axiaux et radiaux sur la paroi. Chaque régime d’ébullition est alors passé en revue : la convection, le déclenchement de l’ébullition, l’ébullition nucléée, la crise d’ébullition, l’ébullition en film et le remouillage.

Pour les régimes stationnaires, ils sont correctement modélisés par des corrélations usuelles. La convection transitoire est caractérisée sur toute la paroi et son évolution se rapproche de la solution quasi-stationnaire pendant un créneau de puissance. Les transferts thermiques lors du déclenchement de l’ébullition et du passage vers l’ébullition nucléée sont dépendants de la formation d’une importante poche de vapeur qui se propage sur la paroi. Des moyennes sur la température et le flux de chaleur ne sont alors plus possibles sans perdre d’information. Afin de simuler et de contrôler des transitoires de températures durant l’ébullition nucléée, un système d’asservissement de type P.I.D. est mis en place pour imposer des créneaux ou des rampes de températures. Les résultats en ébullition nucléée permettent de retrouver les résultats de la littérature tant en conditions stationnaires que transitoires (rampes de température de 5-500 K/s). L’expérience doit également permettre d’étudier le transfert de chaleur lorsqu’un film de vapeur se forme et isole la paroi ce qui tend à augmenter fortement la température de paroi. Du fait de la faible inertie thermique de la paroi, le pilotage initial de l’expérience par un signal de puissance rendait difficile cette étude qui est devenu possible avec le contrôle en température. L’ébullition en film, pendant la chauffe ou le refroidissement de la paroi peut donc être stabilisée pendant plusieurs secondes sur la paroi.

Enfin, l’implémentation des caractéristiques physiques de notre expérience dans le code de thermohydraulique de l’IRSN, SCANAIR, permet de commencer à calculer et comparer nos résultats expérimentaux avec les simulations numériques. Des calculs indirects de conduction instationnaire sont appliqués sur la température mesurée pour valider nos résultats lors du régime de convection et après le déclenchement de l’ébullition.

The study of rapid transient boiling is an important issue in the nuclear safety. Such a phenomenon may occur in the case of a RIA (Reactivity Initiated Accident) in the core of a nuclear reactor powerplant, where a power excursion can trigger the formation of a vapour film around the fuel rod, leading to an important rise of the rod temperature. The evolution is so rapid that no heat transfer regime has time to settle and are therefore considered as transient.

A few studies under reactor conditions provide transient boiling curves but the modeling lacks of reliability. In the frame of collaboration with IRSN, a model experiment has been designed and constructed at the IMFT. It generates the flow of a refrigerant in a semi-annular section composed with a metal foil rapidly heated by Joule effect, simulating the heating of a fuel rod.

Infrared thermography is used to measure the temperature of the metal foil, painted with a black paint to increases its emissivity, causing also increase of the thermal resistance of the wall. A correction of the measurement with an optimization of the temperature estimation is added. These measurements are coupled with a fast camera which allows to visualize the boiling regimes and determine bubbles size using image processing algorithmes.

The representation of heat transfer on a steady state and transient boiling curve is studied and discussed. The heating height is large enough to consider axial and radial phenomena on the wall. Each boiling regime is then reviewed : convection, onset of nucleate boiling, nucleate boiling, boiling crisis, film boiling and rewetting.

Steady regimes are correctly modeled by usual correlations. Transient convection is characterized over the whole wall and its evolution is close to the quasi-stationary solution during a constant power. The heat transfer during the onset of boiling and the transition to nucleate boiling are dependent on the formation of a large vapor phase that spreads on the wall. Temperature and heat flux averages are then no more relevant without losing information. In order to simulate and control transients temperature during nucleate boiling, a P.I.D. is implemented to impose temperature ramps. The results in nucleate boiling make it possible to find the results of the literature in both steady and transient conditions (temperature ramps of 5-500 K/s). The experiment must also allow to study heat transfer when a vapor film is formed and insulates the wall, which tends to increase the wall temperature strongly. Due to the low thermal inertia of the wall, initial piloting of the experiment with a power signal made this study difficult, which became possible with temperature control. The boiling film during heating or cooling of the wall can be stabilized for several seconds on the wall.

Finally, the implementation of the physical characteristics of our experience in IRSN’s thermohydraulic code, SCANAIR, allows us to begin to calculate and compare our experimental results with numerical simulations. Unsteady conduction calculations are applied to the measured temperature to validate our results during the convection regime and after the onset of boiling.