Nucléaire

Mécanique des fluides pour le secteur du nucléaire

Le secteur nucléaire représente une filière importante pour OptiFluides, du fait notamment de sa collaboration avec EDF sur des sujets de R&D ou d’innovation. Et quoi de plus normal, tant la mécanique des fluides et les transferts thermiques sont fondamentaux pour la compréhension et l’analyse des phénomènes à l’œuvre aux diverses échelles, ou pour la conception et la sûreté de nouvelles installations.

Voici quelques exemples d’application de la CFD pour l’industrie nucléaire.

Refroidissement des Réacteurs Nucléaires

• Conception des tours aéroréfrigérantes : Les tours aéroréfrigérantes permettent de refroidir l’eau du circuit de refroidissement. Les échanges thermiques complexes ayant lieu entre le flux d’air ascendant et le rideau de pluie peuvent être simulés numériquement pour optimiser les paramètres de conception et de fonctionnement de ces éléments indispensables au fonctionnement des réacteurs à eau pressurisée.
• Analyse des transferts thermiques : La simulation CFD offre une vue précise des transferts de chaleur dans les composants du réacteur, comme la cuve ou les assemblages combustibles. L’enjeu ici est de disposer des modèles adéquats pour prendre en compte l’ensemble des phénomènes ayant un impact sur le transfert thermique. En modélisant la dissipation de la chaleur générée par la réaction de fission, les ingénieurs peuvent évaluer les conditions limites de fonctionnement des matériaux et améliorer leur conception pour prévenir les défaillances thermiques comme les points chauds, optimisant ainsi la durabilité du réacteur et réduisant les risques.
• Quantification de l’impact du pilotage sur la thermohydraulique : les centrales ont été initialement conçues pour fonctionner à pleine puissance. Le développement des énergies intermittentes pousse de plus en plus à l’utilisation du parc nucléaire comme variable d’ajustement de la production électrique, de sorte que certaines tranches sont amenées à voir leur niveau de puissance abaissé plus ou moins fortement périodiquement. Ces régimes de fonctionnement alternatifs peuvent mener à l’apparition de phénomènes thermohydrauliques locaux générateurs de fatigue thermique pour les composants, que l’on peut quantifier à l’aide de la simulation CFD.

Analyse des Échanges Thermiques dans les Générateurs de Vapeur

Les générateurs de vapeur (couramment appelés GV) jouent un rôle crucial dans le transfert de chaleur entre le circuit primaire, où l’eau est chauffée, et le circuit secondaire, où la vapeur est utilisée pour entraîner les turbines.

• Optimisation des échangeurs de chaleur : Les générateurs de vapeur sont conçus pour transférer efficacement la chaleur de l’eau chaude du circuit primaire à l’eau du circuit secondaire sans mélange. La CFD permet de modéliser l’écoulement complexe de l’eau dans ces échangeurs de chaleur, en tenant compte des phénomènes comme l’ébullition et la condensation. Grâce à cette simulation, il est possible d’optimiser les conditions d’échange thermique, d’améliorer les performances globales de la centrale et d’identifier les zones de dépôts possibles (fouling), qui pourraient réduire l’efficacité du système.
• Caractérisation de la fatigue thermique : les variations de régime de fonctionnement de la tranche vont soumettre les GV à des variations importantes de température, et donc à des niveaux de dilatation thermique fortement variables pouvant générer de la fatigue, ou usure, que l’on calcule avec le Facteur d’Usage. La CFD permettra de connaître précisément les champs de température associés à chaque régime de fonctionnement, voire même de l’évaluer dans des scénarios d’encrassement ou de fonctionnement inhabituel, et constituera une donnée d’entrée précieuse au calcul thermomécanique.

Conception des Systèmes de Ventilation et de Confinement

Les systèmes de ventilation sont essentiels pour garantir un environnement sûr dans les zones sensibles des centrales nucléaires. Ils maintiennent une qualité de l’air adéquate et limitent la propagation des contaminants en cas de fuite.

• Simulation des écoulements d’air dans les enceintes de confinement : La CFD permet de modéliser les flux d’air à l’intérieur des zones confinées comme les salles de contrôle. Cela garantit une ventilation optimale, permettant de maintenir une pression contrôlée et d’éviter l’accumulation de gaz dangereux. Les simulations sont également utilisées pour modéliser les systèmes d’extraction en cas d’urgence afin d’évacuer les contaminants radioactifs de manière sûre.
• Refroidissement des équipements électroniques dans le bâtiment réacteur : des équipements de mesure et équipés d’électronique peuvent être installés dans le bâtiment réacteur, pour surveiller le fonctionnement ou acquérir des données de mesure précieuses. Afin d’éviter un dysfonctionnement voire un incident (tel qu’un départ de feu localisé), il est nécessaire de vérifier le bon refroidissement de ces équipements, ce qui est faisable par la simulation CFD.

Optimisation des Réacteurs Avancés et Réacteurs Modulaires

Les réacteurs avancés, comme les réacteurs à neutrons rapides, ainsi que les réacteurs modulaires de petite taille (SMR), présentent des défis techniques complexes nécessitant une analyse fine des phénomènes fluides et thermiques.

• Simulation des réacteurs à neutrons rapides : Ces réacteurs utilisent des liquides métalliques comme caloporteurs, tel que le sodium, présentant un intérêt particulier de par leurs propriétés thermiques. La CFD permet de modéliser les écoulements et les transferts thermiques dans des conditions extrêmes, en prenant en compte les interactions complexes entre le fluide et les structures du réacteur, contribuant ainsi au design et à leur optimisation pour assurer un fonctionnement sûr et efficace. Lors de leur démontage, pour concevoir par exemple des systèmes de vidange adaptés, la simulation peut permettre de prototyper des équipements sur-mesure garantissant la sécurité des opérateurs.
• Conception des SMR : Les réacteurs modulaires de petite taille doivent maximiser la sécurité et l’efficacité dans des enveloppes compactes. La CFD permet de simuler les systèmes de refroidissement intégrés et d’optimiser la conception des circuits primaires, ce qui est essentiel pour garantir une dissipation thermique efficace tout en respectant des exigences strictes en matière de sécurité.

Conclusion

La simulation CFD est une technologie clé pour l’industrie nucléaire. En permettant des analyses détaillées et précises des phénomènes thermodynamiques et fluides, la CFD offre une compréhension approfondie des comportements complexes des systèmes nucléaires, contribuant à améliorer leur sécurité, leur performance énergétique, et leur fiabilité à long terme.

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