Soutenance de thèse de FAYET Adrien
Titre de thèse
Modélisation thermohydraulique diphasique d'un écoulement stagnant confiné pour la prédiction du flux critique
Two-phase thermal-hydraulic modeling of a confined stagnant flow for critical flow prediction
Résumé de la thèse
Les capsules d'irradiation sont des dispositifs expérimentaux utilisés pour l'étude des matériaux et des combustibles sous irradiation neutronique (effets à long terme, scénarios accidentels ou encore production d'isotopes médicaux). Contrairement aux dispositifs en boucle équipés de pompes, le refroidissement des capsules d'irradiations repose sur la convection naturelle. La chaleur dégagée par l'échantillon combustible est transférée à l'eau environnante, et peut provoquer l'apparition de bulles lorsque le seuil d'ébullition nucléée est atteint. Si le flux critique thermique (Critical Heat Flux, CHF) est dépassé, une transition instantanée vers l'ébullition en film se produit, entraînant une surchauffe soudaine du combustible et des dommages potentiels. La prédiction du CHF est essentielle pour la sûreté et la conception du dispositif, mais demeure complexe car ce phénomène dépend de nombreux paramètres. Bien que l'approche expérimentale doit être privilégiée pour estimer le CHF, le manque de données disponibles pour ce type de dispositif suggère l'usage d'approches numériques.
Cette thèse vise à étudier les capacités de trois outils numériques pour l'estimation du CHF dans la capsule d'irradiation FUICA (FUel Irradiation CApsule). En l'absence de données expérimentales pour la FUICA, ces approches sont évaluées à l'aide de données issues de la capsule Pressurized Water Capsule (PWC), similaire en conception et en fonctionnement à la FUICA.
Dans un premier temps, le code système CATHARE (référence pour les analyses de sûreté) est évalué. Bien que l'écoulement en convection naturelle soit correctement reproduit, le CHF est mal estimé en raison d'une corrélation empirique inadaptée à cette configuration spécifique. L'absence de données expérimentales et de corrélations pour ce type d'écoulement dans la littérature empêche la modification directe de cette corrélation.
Une approche mécaniste est ainsi adoptée avec le code NEPTUNE_CFD. Celui-ci est d'abord validé quant à la reproduction de la convection naturelle monophasique avant d'être évalué pour la prédiction du CHF sur la capsule PWC. Bien que des difficultés apparaissent initialement dans la prédiction de la crise d'ébullition, l'utilisation de modèles avancés d'ébullition et de transfert de chaleur interfacial améliore les performances et permet une estimation raisonnable du CHF pour plusieurs géométries à haute pression. NEPTUNE_CFD présente cependant des difficultés lorsque les puissances sont trop élevées. Toutefois, ces simulations requièrent des ressources de calcul importantes, limitant fortement l'utilisation de NEPTUNE_CFD pour ce type de configuration.
Face aux limites des outils existants, un code 1.5D (CLARISSE) est développé spécifiquement pour la prédiction du CHF pour les capsules d'irradiation, étant un compromis entre la précision des modèles CFD-RANS et la simplicité des codes système. Un modèle à quatre équations est résolu explicitement en faisant l'hypothèse d'un mélange homogène entre les phases - équilibre thermique et mécanique. Les propriétés du mélange sont basées sur les équations d'état NASG, et le changement de phase est modélisé à l'aide d'un modèle de relaxation. Les termes de fermeture inconnus – comme les frottements visqueux ou les échanges thermiques pariétaux – sont déterminés à partir de résultats CFD. Les parois sont modélisées et couplées à la résolution fluide. La prédiction du CHF sur les essais PWC donne des résultats prometteurs, comparables à ceux de NEPTUNE_CFD avec un temps de calcul nettement plus faible. Des améliorations restent toutefois nécessaires sur plusieurs aspects de CLARISSE afin d'améliorer sa représentativité et la prédiction du CHF.
Ces trois approches sont finalement utilisées pour estimer le CHF dans la capsule FUICA.
Cette approche multi-échelle montre des résultats prometteurs, ouvrant la voie au développement d'outils rapides et fiables dédiés à des applications spécifiques.
Thesis resume
Irradiation capsules are used to study material/fuel behavior under neutron flux for long-term effects, accident scenarios, and medical isotope production. Unlike in-core loop devices, cooling the heated rod thanks to forced convection with the use of pumps, capsules rely on natural convection for the samples cooling.
The heat released by a nuclear fuel rod is transferred to the surrounding water and can eventually reach the Onset of Nucleate Boiling (ONB). If the Critical Heat Flux (CHF) is exceeded, an instantaneous transition from nucleate to film boiling occurs, causing sudden fuel overheating and potential damage. Predicting the CHF is vital for safety and design. It is a complex task as this phenomenon depends on various parameters regarding the heated surface, the liquid and vapor phases, and their triple-interaction (nucleate boiling, bubble dynamics, condensation, etc…). Although experiments are the best way to predict the boiling crisis, only limited data is available on such specific device, opening the possibility of using mechanistic numerical approaches to study the phenomenon.
This thesis investigates the capabilities of three different numerical tools for CHF estimation in the FUel Irradiation CApsule (FUICA). In the absence of experimental data for the FUICA, these approaches are assessed using the ones provided by the Pressurized Water Capsule (PWC), featuring a similar configuration and working range as the intended FUICA application.
First, the CATHARE system code (reference code for safety analysis and licensing) is assessed. Although the natural convective flow is accurately reproduced, the CHF estimation diverges due to the application of an empirical correlation that is not tailored to this specific configuration. The absence of CHF experimental data and correlations for such flow prevents its modification, leading us to a finer-scale study.
Indeed, a mechanistic approach is adopted using NEPTUNE_CFD. In this, the code is firstly validated for single-phase natural convection, before being assessed for CHF prediction on the PWC irradiation capsule. Although it initially struggled with the boiling crisis in PWC simulations, its performance improves with the implementation of advanced new boiling and interfacial heat transfer models. These models yield acceptable CHF predictions for several geometries at high pressures. NEPTUNE_CFD however struggles to predict it for high powers and is limited due to its refined spatial discretization. However, these simulations demand significant computing resources, highly restricting the use of NEPTUNE_CFD.
Given the limitations of existing tools, a simple 1.5D code (CLARISSE) is developed from scratch during this thesis specifically for irradiation capsules simulation and CHF prediction, aiming for a balance between CFD-RANS accuracy and system code applicability. A four-equation mixture model is solved explicitly and coupled to the wall resolution, considering mechanical and thermal coupling of the phases. The mixture properties follow the Noble-Abel Stiffened Gas (NASG) equations, and phase change is implemented using a relaxation model. The few unknown closure terms – such as viscous friction and wall heat exchange - are up-scaled using data collected from CFD simulations. The reproduction of the PWC CHF tests shows promising results as they are comparable to NEPTUNE_CFD's with a much lower computational time, allowing sensitivity studies in a R&D frame. Further improvements can be applied on various aspects of CLARISSE to enhance its representativeness and CHF prediction.
Finally, these three approaches are used to provide an estimation of the CHF for the FUICA.
This multiscale approach provides valuable insights of the CHF mechanics. After a first application, the CLARISSE code shows interesting results and promising perspectives, paving the way towards the development of a fast and reliable tool devoted to CHF predictions in specific applications.