Soutenance de thèse de SHAMBHAVI NANDAN

Pour la sûreté des réacteurs nucléaires en cas d’accident grave, l’un des problèmes à fort enjeu est la rétention du combustible nucléaire fondu, appelé corium, à l’intérieur de la cuve du réacteur (RPV). Une des façons de refroidir le corium dans le RPV est de refroidir la cuve par l’extérieur. Cette stratégie est appelée rétention du corium en cuve (IVR). En cas de stratégie IVR, on s’attend à ce que le bain de corium soit entouré d’une croûte oxyde qui sera en contact avec de l’acier fondu à la surface supérieure du bain et le long de la cuve. Il a été observé dans les essais CORDEB (financés par IRSN, CEA, EDF et AREVA), que cette croûte devient perméable, ce qui a un impact sur l’épaisseur de la couche d’acier fondu située au-dessus. Pour la stratégie IVR, une fine couche de métal au-dessus de la croûte peut conduire à un flux de chaleur excessif vers la paroi de cuve, conduisant à une rupture éventuelle de la cuve. Ce phénomène est communément appelé focusing effect. Ce travail traite de l’étude de la dissolution d’une telle croûte afin d’estimer le temps pour que l’acier s’écoule à travers elle. D’un point de vue thermochimique, le corium est un mélange d’UO2, ZrO2 et Zr. Les interactions chimiques dans le système quaternaire composé de U, Zr, Fe et O jouent un rôle important dans la stabilité (ou non) de la croûte. Une étude thermochimique faite dans le cadre de cette thèse montre ce système quaternaire peut être réduit à deux systèmes ternaires dans chaque phase : (U, Zr) + O dans la phase oxyde et (U, Zr) + Fe dans la phase métal, où les atomes Fe et O restent respectivement dans les phases métal et oxyde, et les atomes (U, Zr) sont transférés entre les phases, avec une proportion U/Zr approximativement constante. De plus, il a été montré dans le présent travail que, dans ces systèmes ternaires dans chaque phase, les interactions chimiques entre la croûte et le liquide peuvent être modélisées comme la dissolution d’une zone poreuse diphasique binaire par un liquide. Par conséquent, un modèle macroscopique a été développé par prise de moyenne volumique des équations de transport –masse, espèces, quantité de mouvement, énergie -, sur un volume élémentaire représentatif (VER). Le système final d’équations différentielles a été fermé en déterminant plusieurs relations empiriques pour la diffusivité effective des espèces, les coefficients de transfert de masse, la perméabilité et la conductivité effective. D’abord, le modèle a été résolu numériquement pour étudier la progression de la dissolution dans un domaine 2D diphasique sans convection dans la phase métal (vm = 0) avec plusieurs relations de fermeture pour les coefficients de transfert de masse. Cette étude a été faite pour déterminer la relation de fermeture la plus pertinente permettant de décrire la dissolution de la croûte telle qu’observées dans les essais CORDEB. Cette étude de sensibilité a révélé que, pour retrouver une microstructure similaire à celle observée sur les essais CORDEB, le temps caractéristique de diffusion effective doit être beaucoup plus petit que le temps de dissolution. Ensuite, le modèle a été résolu dans deux cas avec convection dans la phase liquide. Dans le premier cas, l’écoulement liquide est généré par un gradient de pression lorsque qu’une ouverture se forme dans la croûte, à l’issue d’une phase de percolation due à la dissolution. Le second cas est l’étude de la convection thermo-solutale se produisant à cause du gradient de température imposé et des variations de composition résultant de la dissolution. Les deux cas sont analyses par rapport à leurs conséquences en situation d’IVR. Finalement, des conclusions générales ont été tirées vis-à-vis des questions associées à la dissolution en cas d’IVR.

With regards to the safety of the Nuclear Power Plants (NPP) in case of a severe nuclear accident, one of the main challenges associated is the retention of the molten nuclear fuel and reactor internals, called corium, within the Reactor Pressure Vessel (RPV). One of the ways of cooling corium with in the RPV is by cooling the vessel from outside. This strategy is termed as In-Vessel Retention (IVR). In case of the In-Vessel Retention (IVR) strategy, it is expected that the corium pool will be surrounded by an oxide crust, which will be in contact with molten steel from top of the pool as well as from sides of the vessel. It has been observed in CORDEB experiments (funded by IRSN, CEA and EDF), that this crust becomes permeable, which has an impact on the thickness of molten steel layer, lying on top of it. With respect to the IVR strategy, a thin molten steel layer on top of the crust may lead to an excessive heat flux to the Reactor Pressure Vessel (RPV), resulting in a possible rupture or melt-through. Such phenomenon is commonly known as focusing effect. The present work deals with the study of dissolution of such crust in order to estimate the time for molten steel to flow through the crust. Thermochemically, corium is a mixture of UO2, ZrO2 and Zr. The quaternary chemical interaction between U, Zr, O species and Fe plays an important role in the stability (or not) of the crust. However, a thermochemical study done within the framework of the present thesis, shows that the quaternary system of U, Zr, Fe and O atoms, can be reduced to a ternary in each phase: (U, Zr) + O in the oxide phase and (U, Zr) + Fe in the metal phase, where Fe and O atoms remain in metal and oxide phases respectively, and (U, Zr) atoms as a whole participate in the mass transfer across the interface, having ratio of (U/Zr) atoms always constant. Further, it has been shown in the present work that, in this ternary-in-each-phase system, chemical interactions between the crust and liquid (Fe) can be modeled as the dissolution of a binary two-phase porous region by a liquid. Consequently, an up-scaled model for binary mixture has been derived by volume averaging transport equations — Mass, Momentum, Species and Energy transport — over a Representative Elementary Volume (REV). The final system of Partial Differential Equations (PDEs) has been closed by deriving several empirical relations for effective species diffusivity, mass transfer coefficients, permeability and effective conductivity. At first the model has been solved numerically to study the progress of dissolution in a two-phase 2D domain without convection in the liquid-metal phase (vm = 0) with several closure relations of mass transfer coefficient. This study is done to identify the closure relation capable of accurately describing the dissolution in the crust by molten steel same as observed in the CORDEB experiments. This sensitivity analysis revealed that in order to reproduce the microstructure similar to the one observed in CORDEB experiment, the characteristic time of effective diffusion has to be much less than that of dissolution. Further, the model has been solved with convection in liquid-metal phase (vm = 0) for two cases. In the first case the flow of metal within the crust is driven by the pressure gradient once there is a breach in the crust after sufficient manifestations of the percolations because of the dissolution. The second case represents the study of the thermo-solutal convection occurring due to the temperature gradient and concentration variations resulting from dissolution. Both these cases are analyzed for their implications to the IVR strategy. At the end general conclusions have been drawn regarding the issues related to the modeling of the dissolution and the IVR strategy.