Réacteurs nucléaires : de la simulation aux simulateurs - CEA

Pourquoi simuler ?Que simuler ?La sûreté des installations nucléaires, etnotamment celle des réacteurs à eau souspression (REP), impose de prendre encompte dès la conception tous les types descénarios accidentels, même les plus improbables.La démonstration de cette sûreté nepeut pas, bien évidemment, s’appuyer surl’expérimentation en vraie grandeur et nécessited’avoir recours à la simulation numérique(encadré A, Qu’est-ce qu’une simulationnumérique ?).L’accident le plus communément envisagépour le dimensionnement des systèmes desûreté est celui de la rupture brutale d’unecanalisation du circuit primaire qui refroiditle cœur du réacteur en assurant la circulationdu fluide caloporteur en contact directavec les éléments combustibles. La violentedépressurisation qui en découlerait provoqueraitl’ébullition de l’eau du circuit et laformation d’écoulements diphasiques(mélange d’eau et de vapeur), dont il s’avèreindispensable de bien prédire les caractéristiquespour déterminer avec suffisammentde fiabilité le comportement de l’installation.Quels outils pour simuler ?Le calcul de ces situations complexesnécessite des logiciels adaptés basés sur desmodèles physiques (systèmes d’équations)décrivant le mieux possible la phénoménologiedes écoulements diphasiques et quisoient validés sur une base expérimentale laplus large possible. Cette démarche de simulations’est concrétisée à la Direction del’énergie nucléaire du CEA par la conceptionet la mise en service du logiciel Cathareutilisé depuis le milieu des années 80 parles industriels et les organismes de sûretéfrançais et étrangers.De la simulation au simulateur… il n’y aqu’un pas, qui nécessite toutefois une modélisationcomplète du process (y comprisl’interface avec l’opérateur et les systèmesde pilotage) ainsi que le calcul en temps réeldes scénarios les plus variés. Pour aller versplus de réalisme, les simulateurs s’appuientsur ces mêmes logiciels et permettent d’associerl’interactivité de la simulation avec unereprésentation pédagogique des écoulements.Un modèle physique adaptéIl faut donc tout d’abord disposer d’unmodèle physique qui devra distinguer lesdeux formes sous laquelle l’eau des circuitsde refroidissement peut être présente (leliquide et la vapeur). Le rôle respectif de cesdeux phases, notamment dans le refroidissementdu cœur, n’est en effet pas du tout lemême, car le liquide évacue plus facilementl’énergie produite que la vapeur. Lorsqu’ellessont toutes deux présentes dans les canalisations,elles interagissent évidemment l’uneavec l’autre et avec les structures métalliques.Le modèle physique doit donc prendre encompte des termes variés, dits lois de fermeture,tels que les échanges de masse etd’énergie à l’interface liquide-vapeur (ébullition,condensation), les échanges de quantitéde mouvement entre liquide et vapeur(frottement interfacial) et les échangesd’énergie entre chacune des phases et lesparois (échanges convectifs, ébullition oucondensation locale…). De la pertinence deces lois dépendra le réalisme de la réponse dulogiciel lors de la simulation des différentesphases d’un transitoire (1) accidentel. Un certainnombre de phénomènes physiques (misen évidence figure 1) ont un rôle particulièrementimportant au cours d’un accident detype perte de réfrigérant primaire (APRP)causé par une brèche sur le circuit primaire.La mise en œuvredans un logiciel :les projets Cathare et ScarUne fois le modèle physique défini, ils’agit de le programmer (le “coder”) dansun logiciel de calcul pour pouvoir le valideret, in fine, l’utiliser dans des calculs d’application.C’est ainsi que le projet Cathare a étéinitié en 1979, sur la base d’un cahier descharges établi par EDF, Framatome et l’IRSN(Institut de radioprotection et de sûreténucléaire, alors IPSN), pour répondre à leursbesoins de démonstration et d’analyse desûreté des différents transitoires accidentelspouvant survenir sur un REP.(1) Un transitoire est une évolution lente ourapide, programmée ou fortuite, de l’état defonctionnement d’une installation. Dans le casd’un réacteur nucléaire, sont distingués les transitoiresnormaux, lors desquels les valeurs desparamètres physiques restent à l’intérieur desspécifications techniques d’exploitation et lestransitoires accidentels, qui entraînent l’actionde systèmes de protection, puis de sauvegarde.Figure 1. Principaux phénomènesphysiques rencontrés dans un REPlors d’un accident de perte deréfrigérant primaire (APRP).adébit critique à la brèchebcdtransferts de chaleur en paroicondensation en filmstratificationformation de niveauxgonflement de niveauxcontre-courantsphénomènes d’engorgementcondensation sur les injectionscgénérateur de vapeurefggfcircuit primairecœurebadcuve91CLEFS CEA - N° 47 - HIVER 2002-2003