en plus grand nombre, il faut donc ralentir considérablement les neutrons, d’une vitesse de 20000 km/s jusqu’à une vitesse de l’ordre de 2 km/s. Les neutrons sont freinés lorsqu’ils traversent une matière composée d’atomes dont les noyaux ne les absorbent pas. Ce ralentissement se produit rapidement lorsque les obstacles sont des noyaux légers, de masse voisine de celle des neutrons, tels que ceux d’hydrogène. La matière constituée par ces atomes est appelée le modérateur. Un exemple de modérateur est le graphite, utilisé dès la première «pile» atomique, en 1942 en association avec un fluide caloporteur gazeux. Dans les REP le modé- rateur est le même fluide caloporteur, c’est-à-dire l’eau du circuit primaire. Le pressuriseur : la pressurisation maintient l’eau du circuit primaire à l’état liquide
pour éviter l’ébullition.
Pour plus d’informations sur les réacteurs nucléaires nous renvoyons le lecteur vers Basdevant et al. [11] et vers le site web du CEA (http://www.cea.fr).
1.2. Crise d’ébullition : de l’ébullition nucléée à
l’ébullition en film
L’accident le plus communément envisagé pour le dimensionnement des systèmes de sûreté d’un REP est celui de la rupture brutale d’une canalisation du circuit primaire qui refroidit le cœur du réacteur. La violente dépressurisation qui en découlerait pro- voquerait l’ébullition de l’eau du circuit et la formation d’un écoulement diphasique (mélange d’eau et vapeur), dont il s’avère indispensable de bien prédire les caracté- ristiques pour déterminer avec suffisamment de fiabilité le comportement de l’instal- lation. L’ébullition de l’eau peut se rencontrer aussi lors de l’éjection d’une barre de contrôle. Dans les deux cas, un film de vapeur, plus mauvais conducteur de chaleur que l’eau, pourrait se former soudainement autour d’un ou plusieurs crayons. Ceux-ci seraient alors «isolés» de l’eau de refroidissement et la température du combustible pourrait atteindre très rapidement des valeurs très importantes, jusqu’à la fusion de la gaine métallique qui sépare l’uranium de l’eau (voir par exemple la figure 1.3).
Cette formation soudaine d’un film de vapeur autour des crayons de combustible est la manifestation d’un phénomène microscopique appelé «crise d’ébullition». Plus géné- ralement, la crise d’ébullition sur une paroi chauffante est une transition entre deux régimes d’ébullition (voir figure 1.4) : l’ébullition nucléée, dans laquelle des bulles se forment sur la surface chauffante, et l’ébullition en film, dans laquelle la surface chauf- fante est couverte par un film continu de vapeur la séparant du liquide. Bien qu’il s’agisse d’un phénomène physique local, il a des conséquences macroscopiques impor- tantes car ce passage comporte une très grande et très brutale augmentation de la tem- pérature de la paroi chauffée. En effet, le coefficient d’échange thermique paroi/vapeur est beaucoup plus faible que celui paroi/fluide, sans parler du fait que la vaporisation «consomme» de l’énergie sous forme de chaleur latente. Cette augmentation peut être telle qu’elle conduit à la destruction de la paroi, ce qui constitue un problème potentiel de sûreté des installations industrielles. En particulier, dans les REP elle peut avoir
(a) Crayon
(b) Assemblage
FIG. 1.3.: Endommagement par «isolation» de la paroi chaude du liquide de refroidis-
sement (expérience OMEGA, CEA)
des conséquences très graves car, la vapeur étant un mauvais conducteur de la chaleur, le flux de chaleur évacué par le fluide caloporteur autour des crayons de combustible chute brutalement.
Si la maîtrise de ce phénomène est essentielle dès la conception des réacteurs puis- qu’il dimensionne toute la partie «transport thermique», les mécanismes qui en sont responsables sont encore mal compris et controversés malgré de récents progrès. Même l’échelle significative à laquelle il faut étudier le phénomène est toujours sujette à question. Cela tient principalement au fait que les mécanismes de base à l’origine de la crise d’ébullition ont lieu à des échelles de temps et d’espace extrêmement petites, ce qui rend encore difficile le recours à l’expérimentation (les parois fondent subite- ment lorsqu’on atteint la crise d’ébullition) et limite fortement l’accès à des données expérimentales pertinentes.
Heureusement, l’amélioration constante des méthodes de simulation numérique et l’augmentation régulière des capacités des ordinateurs permettent aujourd’hui d’en- visager l’utilisation de la simulation numérique pour aider à la compréhension des mécanismes physiques conduisant à cette brusque transition. En effet, la simulation numérique est devenue un outil essentiel de la recherche scientifique, technologique et industrielle car elle permet de remplacer les expériences quand elles sont par exemple dangereuses, de longue durée, inaccessibles ou interdites ; elle permet aussi de réaliser
Section 1.2. Crise d’ébullition
Ébullition nucléée
Ébullition en film
FIG. 1.4.: Crise d’ébullition : passage de l’ébullition nucléée à l’ébullition en film à contact d’une paroi chauffée. Au cours de ce processus, on observe une transition presque instantanée entre un régime d’ébullition dite nucléée et un régime d’ébul- lition en film pour lequel la paroi est recouverte d’un film de vapeur d’eau mau- vais conducteur de la chaleur. À l’instant où le régime de bulles cesse, la paroi se retrouve subitement isolée par ce film de vapeur et ne parvient pas à évacuer le flux de chaleur, ce qui conduit à l’endommagement voir la destruction définitive de la paroi chauffante. Pour cette raison, les expériences sont difficiles et peu re- productibles. Cette crise d’ébullition est pourtant déterminante pour le fonctionne- ment et le dimensionnement des réacteurs nucléaires. (Les images sont issues de http://www.spaceflight.esa.int/users/fluids/TT_boiling.htm.)
des augmentations de productivité en procurant un gain de temps et en optimisant les performances.
En particulier, la modélisation physique et la simulation numérique du fonctionne- ment des réacteurs nucléaires permettent aujourd’hui de concevoir des installations toujours plus sûres en étudiant les configurations accidentelles, même hypothétiques, autrement inaccessibles par l’expérimentation directe.