Chapitre 4 : Expériences VULCANO
4.1. Expériences VULCANO-ICB oxyde-métal
4.1.1. Dispositif expérimental
4.1. Expériences VULCANO-‐ICB oxyde-‐métal
4.1.1. Dispositif expérimental 4.1.1.1. Généralités
Au CEA, la recherche expérimentale sur les accidents graves est menée sur la plateforme PLINIUS. Une des installations de PLINIUS est dédiée à l’étude de l’Interaction Corium-‐Béton (ICB). Lancé en 2003 en collaboration avec EDF et l’IRSN, puis rejoint en 2010 par GDF/Suez, le programme d’interaction corium-‐béton vise à améliorer la connaissance des phénomènes liés au comportement du béton et du corium lors d’une ICB et à enrichir les bases de données expérimentales. A terme, les résultats doivent permettre de minimiser les incertitudes des outils de simulation sur la tenue des radiers en béton des centrales nucléaires.
Une grande partie des essais du programme VUCLANO-‐ICB s’est intéressée au comportement d’un corium prototypique uniquement oxyde (Journeau, 2009 ; 2012) dans une section d’essai en béton de composition variable. Enfin, quatre essais avec un mélange corium oxyde-‐métal ont été réalisés dans le but d’étudier les phénomènes de stratification des phases oxydes et métalliques couplés à l’ablation du béton. Trois essais sont analysés dans ce mémoire pour fournir des résultats sur l’oxydation de la phase métallique en condition d’interaction corium-‐béton (Journeau et al. 2007, 2012 ; Foit et al. 2014).
L’installation VULCANO se compose principalement de trois éléments, un four à arc plasma pour synthétiser le corium oxyde, trois fours à induction pour produire l’acier liquide, et une section d’essai en béton représentative du béton de la centrale à étudier (Figure 4-‐1).
4.1.1.2. Fours de fusion
Les fusions de la phase métallique et de la phase oxyde du corium sont réalisées séparément et pilotées à distance pour respecter les règles de sécurité.
Un four à arc plasma, tournant, est utilisé pour synthétiser le corium (Cognet, 1999). Le four est chargé successivement trois fois avec des matières premières sous forme de poudre : une première fois pour fabriquer un culottage afin de garantir une protection des parois du four, puis la charge de corium est introduite en deux fois car la densité des poudres utilisées est trop petite par rapport au volume disponible du four. La capacité du four VULCANO s’élève à environ 90 kg de corium, pour des quantités de corium transférées comprises entre 30 kg et 60 kg.
Trois fours à induction haute fréquence sont utilisés pour la fusion de l’acier. Ces fours d’une capacité de 8 kg chacun, sont constitués de mortier réfractaire et de pisé réfractaire (Figure 4-‐2). Ces trois fours à induction sont instrumentés par deux thermocouples de type W placés dans le pisé pour déterminer la température de l’acier.
Lorsque le corium et l’acier sont liquides et portés à la température souhaitée (Tprocédé>Tliquidus), les fours sont basculés et le corium et l’acier liquide sont versés successivement dans la section d’essai en béton. Lorsque le creuset est rempli la vidange est stoppée et les goulottes de transfert, des fours vers la section d’essai, sont retirées.
4.1.1.3. Section d’essai en béton
La section d’essai en béton dans laquelle le corium est versé, est un bloc parallélépipédique, de dimensions 600x300x400 mm3 où se trouve le creuset formé par une cavité hémi-‐ cylindrique de 300 mm de diamètre et de 250 mm de hauteur. La Figure 4-‐3 présente une vue de dessus de la section d’essai avec les principales caractéristiques.
Après la coulée du corium et de l’acier dans la section d’essai, le bain est maintenu à l’état liquide grâce à un chauffage par induction. Un générateur à haute fréquence (42 kHz) et d’une puissance de 250 kW permet d’induire des courants simulant la puissance résiduelle dans le corium liquide. Une calibration préalable sert à déterminer au cours de l’essai la puissance utile dans le bain de corium, simulant la puissance résiduelle.
L’inducteur, composé de 14 spires en cuivre, est disposé de manière à optimiser le champ magnétique au niveau du creuset. Il est positionné autour de la section d’essai et est lui-‐ même entouré de blocs de béton cellulaire. L’espace entre le béton cellulaire et le béton de la section d’essai est comblé avec de la silice sous forme de poudre. Sur la surface plane de l’hémi-‐cylindre se trouve une plaque de zircone poreuse (isolante thermiquement) qui permet de protéger l’inducteur vis-‐à-‐vis du corium.
Figure 4-‐2 : Schéma d’un four à induction utilisé pour la fusion de l’acier. 1) Mortier réfractaire 2) feuille de
Afin de suivre l’ablation du béton au cours de l’ICB, 137 thermocouples, de type K, sont implantés dans la section d’essai : lors de sa fabrication, des fils de nylon de 1 mm de diamètre permettent le maintien des thermocouples dans leurs positions originales. Les thermocouples (points de mesure) sont positionnés sur trois azimuts (à 45°, 90° et 135 ° par rapport à la plaque de zircone), à différents rayons (par rapports à l’hémi-‐cylindre) et à différentes profondeurs. Les positions des thermocouples des essais sont données en Annexe 4. Lorsque le corium est composé uniquement d’une phase oxyde, des thermocouples placés dans le creuset, permettent de connaître la température du bain de corium oxyde.
Lorsque le creuset en béton est rempli par le corium et l’acier, les goulottes de transfert sont retirées et le chauffage par induction démarre pour chauffer et maintenir le bain à l’état liquide. Le chauffage par induction est maintenu plusieurs heures selon l’essai puis le chauffage par induction est coupé brusquement, entrainant un refroidissement relativement rapide du corium.
Le ratio surface/volume est plus grand d’un facteur 6 à 10 pour une section d’essai en béton utilisé dans les essais VULCANO par rapport au puits de cuve dans le cas réacteur. La dilution
du corium par les éléments du béton est donc plus rapide lors des essais VULCANO que dans le cas réacteur. A flux thermique identique, une heure d’essai VULCANO correspond à une dizaine d’heures du cas réacteur.
4.1.2. Plan expérimental