Essais d'effets intégraux et séparés pour les réacteurs avancés

Jan 14, 2024

Selon les Perspectives énergétiques internationales 2017 de l'Energy Information Administration (EIA), la consommation mondiale d'énergie devrait augmenter de 28 % entre 2020 et 2040 (EIA, 2017). Les centrales nucléaires produisent actuellement 11 % de l'électricité mondiale. Il est prévu que l'énergie nucléaire sera la deuxième source d'énergie à la croissance la plus rapide au monde et augmentera en moyenne de 1,5 % par an entre 2020 et 2035. Aux États-Unis, l'énergie nucléaire représente actuellement environ 20 % de toute la production d'électricité et plus plus de 50 % de l'électricité propre totale du pays.

L'énergie nucléaire a été identifiée comme une ressource vitale pour atteindre des émissions nettes nulles dans l'ensemble de l'économie d'ici 2050. La majeure partie de l'énergie nucléaire mondiale est produite par des centrales nucléaires de deuxième et troisième générations. Bien qu'une part importante des centrales nucléaires existantes seront mises hors service dans les années 2030, la demande croissante d'électricité sans carbone de partout dans le monde stimulera le développement de l'énergie nucléaire. Pour assurer la sécurité, la fiabilité, la durabilité, la compétitivité économique et la résistance à la prolifération de l'énergie nucléaire future, les technologies doivent être améliorées dans le développement de l'énergie nucléaire. Les réacteurs avancés offrent le potentiel de transformer l'industrie de l'énergie nucléaire, en fournissant une électricité sûre, fiable et sans carbone qui répond à la pléthore de défis découlant de la décarbonation des réseaux électriques dans le monde. Les États-Unis ont investi des efforts considérables dans le développement de nouvelles technologies pour les réacteurs avancés au cours de la dernière décennie.

Le développement de réacteurs avancés nécessite une compréhension des systèmes intégrés et complexes qui présentent de nouveaux phénomènes dans des conditions normales, transitoires, anormales et accidentelles (Zweibaum et al., 2015). L'analyse phénoménologique et les comportements thermohydrauliques d'un réacteur avancé constituent la base de sa conception et de son évaluation de sûreté (Mascari et al., 2015).

La réalisation d'expériences significatives à grande échelle est coûteuse, prend du temps, voire impossible dans les limites du temps et du budget disponibles. Des tests expérimentaux réduits, par exemple des tests d'effets séparés (SET) et des tests d'effets intégraux (IET), avec des considérations d'échelle appropriées, sont réalisables pour développer une base de données expérimentale pour caractériser les comportements thermohydrauliques prototypes possibles. Les codes thermohydrauliques au niveau du système peuvent ensuite être validés par rapport à la base de données et utilisés pour la conception du système du réacteur et l'analyse de la sécurité.

D'une part, les SET sont menées pour fournir des données expérimentales afin de développer et de valider des modèles physiques et/ou des corrélations empiriques pour caractériser des phénomènes locaux uniques ou des phénomènes combinés dans des conditions prototypiques ou simulées. Étant donné que chacun de ces modèles et corrélations n'est pas toujours à l'échelle du prototype, de nombreux modèles physiques et corrélations empiriques avec une applicabilité limitée dans une petite plage de conditions sont mis en œuvre dans les codes système qui sont utilisés pour identifier les réponses thermohydrauliques en simulant divers types de accidents et transitoires anormaux des réacteurs d'intérêt.

Les installations SET sont généralement hautement instrumentées pour minimiser les distorsions d'échelle. D'autre part, les IET sont réalisées pour étudier les comportements, les phénomènes et les processus de l'ensemble du système, les interactions de deux composants ou plus, et les phénomènes locaux qui sont typiques des fonctions ciblées de la conception globale du système (USNRC, 1998) . Les installations IET peuvent fournir l'ensemble des réponses dynamiques et thermohydrauliques similaires qui peuvent apparaître à travers des accidents postulés et/ou des transitoires anormaux dans un réacteur de référence.

Les données issues des expériences IET sont utilisées pour valider les codes systèmes et comprendre les phénomènes accidentels au lieu d'être directement applicables aux conditions grandeur nature d'un réacteur de référence. Le nombre d'instruments et de capteurs dans une installation IET est inférieur à celui d'une installation SET. La distorsion d'échelle est inévitable pour les IET et peut être à l'origine d'incertitudes dans l'analyse de sûreté. Il est donc important de minimiser ou d'éliminer la distorsion d'échelle, en particulier la distorsion d'échelle temporelle, car le contrôle temporel n'est pas réalisable (Bestion, 2017).

Il existe deux catégories de réacteurs nucléaires à sels fondus en cours de développement qui suscitent un intérêt mondial croissant : les réacteurs à haute température refroidis au sel fluoré (FHR) ayant un combustible à particules solides avec le sel fondu utilisé comme liquide de refroidissement uniquement, et les réacteurs à sels fondus (MSR) avec le carburant dissous dans le liquide de refroidissement au sel fondu. Pour évaluer une conception MSR ou FHR, des évaluations de sécurité sont effectuées pour comprendre la validité et la précision des méthodes de calcul, la sensibilité des résultats aux incertitudes et la marge de sécurité dans des conditions variables (Diamond et al., 2018).

Il est essentiel de prédire les comportements dans des conditions normales, anormales et accidentelles, car il existe beaucoup moins d'expérience réglementaire et d'expérience expérimentale pour un MSR ou un FHR. De nombreuses données expérimentales sont nécessaires pour identifier les phénomènes thermohydrauliques nucléaires, valider les outils de calcul, réaliser des analyses de mise à l'échelle ou encore valider des méthodes de mise à l'échelle. Les SET et les IET sont essentiels à la base de données pour le développement et la validation des codes thermohydrauliques au niveau du système pour l'autorisation d'un réacteur avancé. Cependant, les SET et les IET pour les MSR et les FHR sont rares. De nombreux SET et IET basés sur des fluides de substitution à basse température (par exemple, l'huile de transfert de chaleur et l'eau) pour les sels fondus fournissent des stratégies de mise à l'échelle raisonnables et une méthodologie acceptable (Zweibaum et al., 2020).

L'utilisation de fluides de substitution peut permettre d'étudier les phénomènes de transfert de fluide et de chaleur pertinents à des températures très basses, moins de ressources nécessaires, l'utilisation d'instruments et de capteurs disponibles et précis, éliminant les risques liés aux sels fondus. Cependant, certains phénomènes attribués uniquement au sel liquide à haute température n'ont pas été pris en compte à l'aide de fluides de substitution, tels que les événements de surrefroidissement, les événements de surchauffe, le mélange et la stratification thermiques ou le transfert de chaleur radiatif. Un refroidissement excessif peut entraîner des phénomènes de congélation des sels fondus, entraînant des dommages aux composants qui peuvent être importants lors de transitoires et d'accidents. Une surchauffe peut affecter la structure du réacteur, provoquant un échauffement local dû à une mauvaise répartition du débit. Les pertes de chaleur parasites peuvent également être significativement différentes entre les sels fondus à haute température (550 à 700°C) et les fluides de substitution à basse température (50 à 90°C).

Pour le flux laminaire, le transfert de chaleur par rayonnement devrait être plus élevé et devra être calculé et quantifié. Un certain nombre de boucles d'essai de sel fondu sont utilisables aux États-Unis (Yoder, 2015 ; Robb, 2016 ; Chen, 2021), et toutes sont utilisées pour soutenir le développement et la démonstration de composants de sel fondu tels que les pompes, les joints, les vannes et la chaleur. échangeurs, ainsi que des tests de corrosion des matériaux. Cependant, aucune installation de sels fondus SET et IET n'est disponible pour étudier les conditions d'accident de sels fondus, et le transfert de chaleur et le flux de sels fondus n'ont pas encore été étudiés en profondeur pour les noyaux FHR / MSR (par exemple, lit de galets, canaux parallèles et faisceaux de vol) sous conditions de température et de fluide prototypiques. De plus, les données limitées sur le transfert de chaleur des sels fondus disponibles avec de grandes divergences dans les propriétés thermophysiques ont conduit à des conclusions trompeuses (Holcomb, 2013). Il est donc impératif de développer une base de données haute fidélité sur l'écoulement des sels fondus et le transfert de chaleur pour les conceptions de cœur et de sous-système FHR/MSR et pour les analyses d'accidents.

Pour soutenir les SET et les IET d'un MSR/FHR, l'UNM mène une série d'expériences innovantes sur les sels fondus pour comprendre les phénomènes de sels fondus, améliorer les performances des composants clés et valider les performances du système et les codes d'analyse. Une installation d'essai de sels fondus polyvalente à échelle réduite avec une conception innovante de piscine en boucle hybride est en cours de planification, de construction et d'utilisation pour des expériences visant à prédire les performances du système dans des conditions normales, transitoires et accidentelles. L'installation est conçue de manière à pouvoir effectuer des SET et des IET avec des boucles d'écoulement de dérivation réalisées par des vannes à sel fondu. Une fois l'installation terminée, les données expérimentales obtenues à la fois des SET et des IET seront utilisées pour comparer les codes au niveau du système. L'appareil de test des effets intégraux et des effets séparés du fluorure-sel à échelle réduite (FIESTA), comme le montre la figure 1, est en cours de construction dans le laboratoire de thermohydraulique avancée de l'Université du Nouveau-Mexique dirigé par le Dr Minghui Chen.

La mission de la FIESTA est d'établir une base scientifique et technique pour accélérer l'octroi de licences pour les MSR et les FHR ainsi que d'autres installations expérimentales dans les laboratoires nationaux, les industries et les universités. FIESTA a la capacité de reproduire la plupart des réponses transitoires MSR ou FHR pour un large éventail d'événements qui seront évalués au cours du processus d'autorisation. FIESTA est conçu pour fonctionner à 650 °C avec FLiNaK (c'est-à-dire un mélange eutectique de 46,5 % LiF -11,5 % NaF-42 % KF) comme fluide de refroidissement primaire, correspondant à une température typique de sortie du cœur du réacteur. Il est prévu que cette installation inclura tous les composants clés d'un MSR ou d'un FHR, à une échelle réduite, à l'exception du cycle de conversion de puissance, comprenant une cuve, deux pompes à sels fondus, un échangeur de chaleur intermédiaire (IHX), un échangeur de chaleur secondaire (SHX), un système de refroidissement auxiliaire direct du réacteur (DRACS), un système de refroidissement de la cuve (VCS) et une boucle intermédiaire. Le cœur du réacteur sera simulé à l'aide de tiges chauffantes électriques. En plus des DRACS, Reactor Vessel Auxiliary Cooling Systems (RVACS), un VCS, où la chaleur de désintégration est évacuée du réacteur et des parois de la cuve de garde par convection et/ou rayonnement, peut être facilement intégré et testé (Lisowski, 2021). La chaleur simulée est transférée à l'air circulant dans la cavité de l'enceinte en béton et rejetée directement dans l'environnement ou via un échange secondaire par convection vers l'eau. Pour les transitoires et les conditions accidentelles, la puissance électrique sera variée pour simuler les effets de rétroaction du réacteur. FIESTA sera entièrement chauffé par traçage et isolé thermiquement, à l'exception de la section d'essai.

L'un des principaux objectifs de la FIESTA est de recueillir des données expérimentales en régime permanent et transitoire pertinentes pour la validation des codes des systèmes thermohydrauliques. Dans ce but, FIESTA présente une complexité suffisante pour être représentative d'une conception MSR ou FHR, où un couplage fort existe entre les comportements thermohydrauliques du cœur du réacteur, IHX, boucle intermédiaire, SHX, boucle de dissipation thermique et systèmes d'évacuation de la chaleur résiduelle ( DRACS et/ou RVACS). Une matrice de test sera développée pour la FIESTA sur la base de certains fonctionnements et transitoires nominaux MSR et FHR. Des données sur les températures d'entrée et de sortie du caloporteur, les débits, les pressions et les pressions différentielles à travers les échangeurs de chaleur et le cœur du réacteur simulé seront obtenues. Ces données seront utilisées pour évaluer le couplage des sous-systèmes. Ils seront également utilisés pour comparer les corrélations/modèles de transfert de chaleur et de chute de pression qui sont utilisés dans les codes thermohydrauliques actuels au niveau du système pour les FHR.

Le programme de recherche effectuant des SET et des IET utilise une installation polyvalente de test de sel fondu pour valider les codes système à l'appui du déploiement des technologies MSR et FHR et fournit également aux étudiants du premier cycle au deuxième cycle, en particulier les minorités amérindiennes, hispaniques et sous-représentées, avec diverses formations et opportunités éducatives sur les réacteurs avancés, les expériences pratiques sur les sels fondus et les technologies d'instrumentation.

Attention, cet article paraîtra également dans la treizième édition de notre publication trimestrielle.

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