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Plenum de sortie de coeur d'un réacteur à caloporteur gaz avec TrioCFD

En conclusion d’une revue de différents concepts de réacteurs nucléaires innovants envisageables pour les prochaines décennies, une gamme de systèmes nucléaires à caloporteur gaz fait l’objet d’études et de recherches approfondies dans la communauté scientifique internationale . Parmi ces différents projets, on trouve le réacteur à haute température (HTR) à blocs prismatiques.

Dans ce type de réacteur le caloporteur (de l’hélium pressurisé) traverse le cœur via des passages usinés dans les blocs de combustible. Il recueille également les contributions d’écoulements secondaires issus des passages des barres de commande, des jeux inter-assemblage, etc … Ces écoulements sont à des températures différentes et sont recueillis et mélangés à la sortie du cœur, dans un grand volume appelé plénum de sortie. Cette zone est donc le siège d’un mélange turbulent intense entre les jets d’hélium chaud issus de colonnes perforées (provenant des blocs de combustible) et un écoulement principal plus froid.

La connaissance des comportement thermohydraulique du mélange gazeux et des parties solides (colonnes) est d’une grande importance, parce que le mélange est à haute température (850°C environ) et que les parties solides ont aussi une fonction de support mécanique du cœur. Les questions investiguées concernent donc à la fois la qualité du mélange obtenu (homogénéisation de la température), les fluctuations de température et les vibrations induites par l’écoulement. Des simulations instationnaires de thermohydraulique de l’hélium couplée à la thermique dans les parties solides ont été effectuées avec TrioCFD. La simulation des grandes échelles a été utilisée.

La complexité de la géométrie, l'importance du schéma de convection (mis en relief par des calculs paramétriques), l'utilisation de la simulation des grandes échelles en dehors de son domaine académique d'utilisation et le recours à une discrétisation VDF font apparaître la nécessité d'une qualification de ces simulations. Un premier travail a consisté à constater la cohérence du calcul avec des estimations issues de corrélations (pertes de charge, classement des températures, etc.). Un second travail consiste en la comparaison des résultats avec ceux obtenus à l'aide d'un autre code de calcul (STAR-CD) dans le cadre d’un benchmark.  

Cette étude s’est déroulée en plusieurs étapes passant d’une configuration à une seule colonne perforée (cf. figure ci-dessus à droite) à des configurations plus complexes comportant des colonnes perforées et une (cf. figure ci-dessous à gauche) ou plusieurs (cf. figure ci-dessous à droite) colonnes de support.

Les simulations ont permis, pour des coûts de calculs raisonnables, de mettre en évidence les fluctuations thermiques de l'hélium sur les parois internes des colonnes perforées, et sur certaines parties des colonnes de support et du bord latéral.

Date 2001 - © CEA - Evolution de la température au sein du plenum de sortie d'un réacteur à gaz. Dans l'ordre d'apparition : coupe verticale, coupes horizontales à différentes hauteurs.