Synthèse des résultats

La première partie des résultats obtenus dans le cadre de cette thèse (présentés en annexe A) consiste à compléter les travaux de recherche réalisés dans la cadre du projet de maîtrise de Romain Necciari [39]. Une série de simulations numériques a été effectuée sur des configu- rations de tubes afin d’évaluer les plateformes numériques ainsi que les algorithmes de calcul dans le but de simuler l’écoulement du modérateur. Il a été conclu qu’en utilisant le modèle de turbulence κ -  classique en conjonction avec une topologie de maillage structuré de type carré qui englobe les tubes de calandre, on peut améliorer les prédictions numériques de ce type d’écoulement. Ce travail nous a permis de trouver un nombre minimal de cellules requis afin de réaliser des simulations de l’écoulement du modérateur au sein du réacteur CANDU-6. La deuxième partie du travail est présentée au chapitre 4 de la thèse. En premier lieu, celui-ci a pour but d’évaluer la validité des modèles physiques, les méthodes ainsi que les conditions utilisées pour la simulation de l’écoulement du modérateur dans les réacteurs nucléaires de type CANDU-6. Dans ce contexte, avant d’effectuer les simulations, les approximations couramment utilisées pour une étude thermohydraulique du modérateur ont été analysées. En particulier, il en est ressorti que l’utilisation de l’hypothèse de Boussinesq induira des erreurs numériques qui ne peuvent pas être négligées.

Les simulations présentées dans ce travail prédisent l’existence de trois configurations d’écou- lement de modérateur respectivement contrôlées par l’inertie, mixte et contrôlée par la flotta- bilité. Les transitions entre ces configurations se font en fonction du rapport entre la puissance thermique générée par le réacteur dissipé dans le modérateur et la vitesse d’injection du mo- dérateur. Ce rapport correspond à la définition du nombre de Richardson (Ri). Il a été observé que :

– Pour Ri < 0.04 l’écoulement semble adopter une configuration contrôlée par l’inertie. – Pour 0.04 < Ri < 0.09 l’écoulement est soumis à une concurrence entre les forces d’inertie et

ces conditions, la répartition de l’écoulement commence à passer vers un côté de la calandre, en provoquant d’importantes différences de température à travers le modérateur.

– Pour 0.09 < Ri < 0.12 une zone de transition entre les configurations mixte et contrôlée par la flottabilité est obsérvée.

– Pour Ri > 0.12 les forces de flottabilité deviennent dominantes dans la calandre. Ceci crée une zone chaude dans la partie supérieure du modérateur où les jets ne peuvent pas péné- trer. On observe que le modérateur devient thermiquement stratifié.

La détermination du positionnement du point de rencontre des jets est très importante, car, dans une configuration avec des asymétries (c.-à-d. une configuration mixte), la différence de température est directement reliée à la rencontre entre les jets. En conséquence, cette position doit être considérée lors des analyses de sûreté nucléaire.

Le développement d’un modèle CFD dépendant du temps constitue la troisième partie de cette étude. Il a été observé que les simulations stationnaires ne peuvent pas prédire de ma- nière appropriée la structure de l’écoulement du modérateur quand l’ordre de grandeur des forces agissant sur le système est proche. Plusieurs simulations instationnaires ont été réalisées pour une large gamme du nombre de Richardson. Les données numériques extraites au centre de la calandre ont été analysées à la fois dans le domaine temporel et fréquentiel. L’analyse dans le domaine fréquentiel nous a permis de construire une trajectoire fréquentielle domi- nante, en fonction du nombre de Richardson. Il a été observé que pour les valeurs Richardson inférieures à 0.01, le modérateur est capable de maintenir une configuration d’inertie domi- nante. Pour des valeurs du nombre de Richardson comprises ente 0.01 et 0.12, l’écoulement de modérateur est caractérisé par la présence de structures cohérentes qui oscillent avec de très faibles fréquences. Dans de telles conditions, il a été observé que le point de rencontre des jets était complètement dépendant du temps, oscillant d’un côté à l’autre avec de grandes amplitudes. Néanmoins, pour des valeurs du nombre de Richardson supérieures à 0.12, ces fluctuations disparaissent et le modérateur devient thermiquement stratifié. En conséquence, les prédictions des modèles CFD en régime stationnaire ne sont pas loin des distributions de l’écoulement en fonction du temps. La comparaison de la trajectoire fréquentielle proposée avec les données expérimentales montre un excellent accord.

La quatrième partie de cette thèse porte sur des simulations 3-D CFD du modérateur cou- plées à des calculs de physique du réacteur (neutronique). Suite à une étude de convergence numérique, le nombre nécessaire de mailles dans le cadre d’une étude 3-D a été déterminé. Les simulations thermohydrauliques de cette étude ont été réalisées à l’aide du Code_Saturne [1] alors que la partie neutronique a été faite par le code DONJON [2] appliqué à des simula- tions du cœur du réacteur. Une méthodologie a été mise en place pour coupler les simulations

CFD avec les calculs de physique des réacteurs. Il a été observé que les variations locales de distribution de température du modérateur ont un effet non négligeable sur le keff du réac- teur. En se basant sur des calculs en transport neutronique et aussi des calculs de diffusion de neutrons, il a été observé qu’une température locale plus élevée du modérateur réduit la puissance thermique locale dans le coeur du réacteur. Cette prédiction contredit des études si- milaires effectuées en gardant uniforme la température du modérateur partout dans le coeur du réacteur. À cet égard, une explication physique a été proposée dans ce dernier article soumis au journal “Annals of Nuclear Energy”.