Thèse Année : 2023

Modeling and simulation of the boiling crisis within PWR at CFD scale

Modélisation et simulation de la crise d'ébullition dans les REP à l'échelle CFD

Résumé

In Pressurized Water Reactors (PWR), the heat released by the nuclear fuel is transferred to the water flowing in the primary circuit, which is pressurized at 150 bar to avoid boiling. However, water can sometimes reach the Onset of Nucleate Boiling (ONB) under accident conditions that can further lead to the Boiling Crisis. At this point, an instantaneous transition between nucleate and film boiling occurs, inducing the formation of a vapor blanket around the fuel rods which acts as a thermal insulation and causes a rapid rise of their temperature, posing a risk of fuel cladding damage. Prediction of the Critical Heat Flux (corresponding to Boiling Crisis occurrence) is thus a primal safety stake, currently achieved using dedicated experimental correlations that do not include detailed description of the boiling physics. This thesis aims to study the modeling of the boiling physics at a local scale, so-called “CFD” (Computational Fluid Dynamics), which allows simulating boiling flows using a millimeter spatial discretization. The in-house code NEPTUNE_CFD is the reference tool used by EDF R&D to investigate local-scale multiphase physics. First, simulations of boiling flows in a vertical tube are achieved using NEPTUNE_CFD. Results are compared to the DEBORA experiment (flow boiling of refrigerant R12 that mimics PWR dimensionless numbers) in conditions representative of the industrial situation. The results show a global agreement with the measurements, but display significant discrepancies regarding bubble diameter and wall temperature. The latter is computed through the wall boiling model of NEPTUNE_CFD called “Heat Flux Partitioning”, which splits the wall heat flux between different heat transfer mechanisms (convection, phase change, transient conduction, etc.). The main objective of the thesis then consisted in the development of a new Heat Flux Partitioning model in order to account for a more extensive description of the boiling phenomena, including notably the effect of bubble sliding. A fine modeling of bubble dynamics at the wall has been proposed through a mechanistic approach based on a force balance over the bubble. Forces at stake have been reassessed (drag, added mass, etc.) and allowed satisfactory prediction of bubble detachment diameter as well as sliding velocity at low and high pressure. The Heat Flux Partitioning model has been completed by conducting a precise evaluation of the numerous required closure laws (waiting time, nucleation site density, etc.) through comparisons with experimental measurements from the literature. The newly assembled model has finally been validated against wall temperature measurements and implemented in NEPTUNE_CFD. The Critical Heat Flux prediction is anchored as a perspective of this framework. Recent experiments showed that the Boiling Crisis can be described using physical parameters involved in the Heat Flux Partitioning formulation. A criterion based on the proportion of wall area covered by bubbles has further been tested using the old NEPTUNE_CFD formulation and showed a coherent qualitative behavior. Finally, the focus was put on a configuration consisting of a tube with mixing vanes similar to those present in PWR cores. Results of NEPTUNE_CFD simulations showed significant discrepancy regarding core void fraction prediction. Single-phase flow simulations of the same case displayed an overestimation of the liquid’s rotation, which could explain the too large vapor gathering at the center for the boiling cases.

Dans un Réacteur à Eau Pressurisée (REP), la chaleur dégagée par le combustible nucléaire est transférée à l’eau du circuit primaire, pressurisée à 150 bars pour éviter son ébullition. Cependant, en situation accidentelle, elle peut entrer en régime d’ébullition nucléée pouvant s’intensifier jusqu’à atteindre la crise d’ébullition. Ce point de transition quasi instantané entre l’ébullition nucléée et l’ébullition en film entraîne la formation d’une couche de vapeur stable sur les crayons combustible, associée à une forte augmentation de leur température pariétale créant un risque de rupture de leur gaine. La prédiction du flux critique (flux de chaleur auquel se produit la crise d’ébullition) représente donc un enjeu de sûreté majeur et est actuellement réalisée à l’aide de corrélations expérimentales spécifiques à une configuration, n’incluant pas de représentation fine de la physique de l’ébullition. Cette thèse s’intéresse à la modélisation de la physique de l’ébullition à l’échelle locale dite « CFD » (Computational Fluid Dynamics), à laquelle il est possible de réaliser des simulations d’écoulements bouillants avec une discrétisation spatiale de l’ordre du millimètre. Le code maison NEPTUNE_CFD, proposant une description eulérienne des écoulements multiphasiques à changement de phase, est l’outil de référence de EDF R&D pour enquêter sur ces problématiques aux échelles locales. Dans un premier temps, des simulations d’écoulements bouillants convectifs en tube vertical sont réalisées avec NEPTUNE_CFD. Des comparaisons avec l’expérience DEBORA (écoulement bouillant de réfrigérant R12 en similitude REP sur plusieurs adimensionnels) ont permis une évaluation du code dans des conditions similaires au cas industriel. Les résultats obtenus sont globalement en accord avec l’expérience, mais présentent des écarts notables sur le diamètre des bulles et la température paroi. Cette dernière est calculée au travers du modèle d’ébullition en paroi de NEPTUNE_CFD dit à « Partition du Flux Pariétal » (Heat Flux Partitioning), où le flux appliqué est découpé entre plusieurs mécanismes de transfert de chaleur (convection, évaporation, conduction instationnaire, etc.). Le cœur des travaux de thèse a alors consisté en la construction d’un nouveau modèle de Partition du Flux, avec objectif une prise en compte plus fine de la phénoménologie de l’ébullition en considérant notamment le glissement des bulles. Une modélisation de la dynamique des bulles en paroi a été développée par une approche mécaniste décrivant les forces appliquées sur la bulle. Les formulations de certaines forces (masse ajoutée, traînée, etc.) ont été réévaluées et permettent une prédiction satisfaisante des diamètres de détachement et des vitesses de glissement à basse et haute pression. Le modèle de Partition du Flux a été complété par une évaluation des nombreuses lois de fermetures requises (temps d’attente, densité de sites de nucléation, etc.) par comparaison avec des mesures expérimentales tirées de la littérature. Le nouveau modèle ainsi développé a ensuite été validé par comparaison avec des mesures de température de paroi et implémenté dans NEPTUNE_CFD. La prédiction du flux critique s’ancre en perspective de ces développements. Des observations expérimentales récentes décrivent la crise d’ébullition à l’aide de paramètres physiques inclus dans le modèle de Partition du Flux. Un critère basé sur la proportion de surface occupée par les bulles a été testé avec l’ancien modèle de NEPTUNE_CFD et semble proposer un comportement qualitativement cohérent. Enfin, on s’intéresse à une configuration de type tube avec des ailettes de mélange similaires à celles présentes en cœur de REP. Les simulations NEPTUNE_CFD montrent des écarts significatifs à l’expérience sur la prédiction du taux de vide à coeur. Des simulations monophasiques montrent une surestimation de la rotation du liquide, pouvant expliquer la trop grande accumulation de vapeur dans le cas bouillant.

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  • HAL Id : tel-04244931 , version 1

Citer

Luc Favre. Modeling and simulation of the boiling crisis within PWR at CFD scale. Fluid mechanics [physics.class-ph]. Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT, 2023. English. ⟨NNT : 2023INPT0018⟩. ⟨tel-04244931⟩
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