Aix-Marseille Université École Doctorale Sciences pour l Ingénieur. Thèse de doctorat. Discipline : Sciences de l Ingénieur.

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1 Aix-Marseille Université École Doctorale Sciences pour l Ingénieur Thèse de doctorat Discipline : Sciences de l Ingénieur présentée par Thomas Prusek Modélisation et simulation numérique du colmatage à l échelle du sous-canal dans les générateurs de vapeur Thèse dirigée par Marc Grandotto et Marc Jaeger Soutenue le 11 décembre 2012 devant le jury composé de : Vincent Giovangigli CMAP École Polytechnique Examinateur Grégory Lefevre LECIME Chimie ParisTech Examinateur Stéphane Viazzo M2P2 Aix-Marseille Université Examinateur Éric Climent INP-ENSEEIHT IMFT Rapporteur Michel Cournil Mines de Saint-Étienne Rapporteur Marc Grandotto CEA Cadarache Co-directeur Marc Jaeger M2P2 École Centrale Marseille Co-directeur Edgar Moleiro EDF CEIDRE Encadrant Fadila Oukacine EDF R&D Encadrante

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3 Résumé Ce travail de thèse s inscrit dans le cadre d un projet de recherche industriel visant à améliorer les méthodes et les outils de simulation du comportement thermohydraulique et vibratoire dans les générateurs de vapeur des centrales nucléaires, en présence de colmatage. Le colmatage des générateurs de vapeur est un phénomène de déposition de matières au niveau d interstices, appelés passages foliés, qui perturbe la libre circulation de l écoulement appartenant au circuit secondaire. L objectif de ces travaux de thèse est de disposer d un modèle permettant de simuler ce phénomène dans l intégralité du générateur de vapeur à l échelle du sous-canal du faisceau de tubes. Le modèle proposé se décompose en deux étapes au niveau de chaque passage folié : une étape de déposition des particules, et une étape de consolidation du dépôt par précipitation d espèces solubles. Une méthode inverse d assimilation de données a été développée pour ajuster ce modèle sur les différentes observations issues du retour d expérience disponible à EDF. Les résultats de simulation sont comparables aux données mesurées sur sites d exploitation pour les générateurs de vapeur étudiés. L impact du colmatage sur l écoulement se caractérise par l apparition de survitesses en partie supérieure du générateur de vapeur à l origine d instabilités vibratoires des tubes, et par la diminution du taux de recirculation. Par ailleurs, les résultats de simulation confirment qu une augmentation du ph dans l ensemble du circuit secondaire semble une solution intéressante pour atténuer le phénomène de colmatage. Ce remède est actuellement envisagé sur le parc nucléaire français. Mots-clefs : générateur de vapeur, colmatage, échelle du sous-canal, milieu diphasique, méthode inverse

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5 Abstract In nuclear power plants, corrosion product deposits in the secondary side of steam generators may result in tube support plate flow blockage. Flow blockage is a deposit at the inlet of tube support plate flow holes. It may induce high velocity zones in the secondary flow, then vibrations and tube cracks in some cases. The main objective of this work is to model and simulate this deposit phenomenon in the whole steam generator. A new deposit model has been also developed and implemented in the frame of THYC. THYC is the EDF s reference code for the modelling of 3D two-phase thermal-hydraulic phenomena at the subchannel scale. The deposit model is defined by two main steps : particle deposition, and strengthening process due to soluble species precipitation in the pores of particle deposits. It is calibrated on blockage rates observed in steam generators using an inverse method also developed in this work. The relevance of this model is tested by comparing the simulation results to the actual levels of flow blockage observed in some nuclear plants. The main impact of flow blockage on the secondary flow is localized at the upper tube support plate and may induce tube vibrations. Moreover the simulation results underline the ph dependence of flow blockage phenomenon. A ph elevation of the secondary flow is one of the remedies currently considered on EDF s nuclear fleet. Keywords : steam generator, tube support plate flow blockage, subchannel scale, twophase flow, inverse method

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7 Table des matières Nomenclature 11 Introduction 15 1 Contexte industriel Principe de fonctionnement d un Réacteur à Eau Pressurisée Rôle du Générateur de Vapeur dans le circuit secondaire Principe de fonctionnement du circuit secondaire Principe de fonctionnement d un Générateur de Vapeur Architecture générale d un Générateur de Vapeur Encrassement et colmatage dans les Générateurs de Vapeur Phénomènes d encrassement et de colmatage Problématiques liées à l encrassement Problématiques liées au colmatage Retour d EXpérience sur le colmatage Initiatives d EDF Enjeux et objectifs de la thèse Formation du colmatage dans les Générateurs de Vapeur Mécanismes de constitution du terme source Origine de la matière Chimie du circuit secondaire Conclusion sur les mécanismes de constitution du terme source Mécanismes de transport Nature de la matière Modification de la matière Conclusion sur les mécanismes de transport Mécanismes supposés de déposition Le flashing Le phénomène électrocinétique Déposition sous écoulement turbulent (formation de rides) Encombrement des passages foliés par des gangues de desquamation Conclusion sur les mécanismes supposés de déposition Synthèse sur la formation du colmatage Méthodes numériques pour la simulation des écoulements et de la déposition à l échelle du Générateur de Vapeur Les trois échelles de modélisation dans le domaine du nucléaire L échelle locale (CFD)

8 Table des matières L échelle système L échelle composant Modélisation des écoulements dans le Générateur de Vapeur : le logiciel THYC Objectifs du logiciel Équations homogénéisées Bases de la méthode numérique de résolution Modélisation de la déposition dans le Générateur de Vapeur : les modules BOUTHYC et COLMATHYC Objectifs des modules Principes généraux des modules Modèle d encrassement Spécificité du modèle de colmatage Méthodologie pour le calcul de la déposition dans le Générateur de Vapeur Synthèse sur les méthodes numériques Méthode inverse pour l assimilation de données industrielles Contexte : intérêt de la méthode inverse Retour d EXpérience du parc nucléaire français Examens TéléVisuels Courants de Foucault Mesure du Niveau Gamme Large Écriture vectorielle des pourcentages de colmatage mesurés Principes généraux de la méthode inverse Constantes de modélisation Écriture vectorielle des pourcentages de colmatage calculés Écriture matricielle de la fonction de transfert Résolution matricielle numérique Applications de la méthode inverse Modélisation du phénomène de colmatage Analyse des écoulements hydrauliques à l échelle locale (CFD) Présentation générale des essais expérimentaux P2C Domaines d étude Paramètres numériques et convergence Simulations CFD et comparaison aux essais expérimentaux Corrélation de chute de pression en écoulement monophasique Modèle de colmatage à l échelle composant Mécanisme de vena contracta Mécanisme de flashing Processus de consolidation des dépôts Simulation du colmatage à l échelle composant Modèle de colmatage simplifié Modèle de colmatage complet Synthèse sur la modélisation du colmatage

9 Table des matières 6 Couplage entre le colmatage et l écoulement thermohydraulique du circuit secondaire Simulation couplée du colmatage Ajustement du modèle par la méthode inverse Répartition du colmatage dans le Générateur de Vapeur Impact du colmatage sur l écoulement thermohydraulique Champ de vitesse du fluide en Plaque Entretoise supérieure Taux de recirculation Conclusions et perspectives 135 A Corrélations utilisées pour le calcul d encrassement 147 A.1 Vitesses de transport et de déposition des particules A.1.1 Mécanisme d inertie A.1.2 Mécanismes de diffusion A.1.3 Mécanisme de sédimentation A.1.4 Mécanisme de thermophorèse A.1.5 Mécanisme d ébullition A.2 Vitesses de transport et de précipitation des espèces solubles A.2.1 Mécanisme de transport A.2.2 Mécanisme de croissance cristalline A.2.3 Mécanisme d ébullition pariétale A.3 Taux d arrachement du dépôt B Analyse détaillée des écoulements à l échelle locale (CFD) 151 B.1 Maillages du domaine et convergence des calculs B.2 Plans de coupe considérés B.3 Résultats des simulations réalisées B.3.1 Champ moyen de pression B.3.2 Champ moyen de vitesse

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11 Nomenclature Latin a Constante de modélisation A % Matrice intervenant dans la méthode inverse A w,d m 2.m 3 Aire pariétale volumique de déposition (= S w,d /V tot ) B % Vecteur intervenant dans la méthode inverse C g Titre massique de la vapeur C l Titre massique du liquide D h m 2.s 1 Cœfficient de diffusion de l espèce h D H m Diamètre hydraulique DH 0 m Diamètre hydraulique initial d un passage folié d p m Taille des particules e m Épaisseur d une Plaque Entretoise E fs W.m 3 Puissance thermique volumique E r s 1 Taux d arrachement f Cœfficient de frottement g m.s 2 Gravité (= 9.81) H lg J.kg 1 Chaleur latente de vaporisation H m J.kg 1 Enthalpie du mélange diphasique homogène I fs kg.m 2.s 2 Terme d interaction fluide/solides K adh m.s 1 Vitesse d adhésion k b J.K 1 Constante de Boltzmann (= ) K d m.s 1 Vitesse de déposition K t m.s 1 Vitesse de transport k v m 1 Variable de blocage d un passage folié L 0 m Demi-distance entre deux tubes consécutifs m d kg.m 2 Masse surfacique de dépôt M d kg Masse de dépôt N inc Nombre de constantes de modélisation inconnues N mes Nombre de données de colmatage mesurées pour le GV considéré N k Nombre de passages foliés dans l ensemble k P a bar Pression de référence pour les simulations CFD P adh Probabilité d adhésion des particules p c % Pourcentage de colmatage (= τ c 100) P c % Vecteur des pourcentages de colmatage calculés Pc mes % Vecteur des pourcentages de colmatage mesurés

12 Nomenclature P h kg.m 3.s 1 Terme volumique de transfert entre espèces h P m P a Pression du mélange diphasique homogène Q h kg.m 3.s 1 Terme volumique de transfert entre l espèce h et le dépôt R m Rugosité des tubes encrassés R 0 m Rayon équivalent d un passage folié Re Nombre de Reynolds S 0 m 2 Section de passage fluide d un passage folié non colmaté S 1 m 2 Section de passage fluide en amont d un passage folié S c m 2 Section du dépôt de colmatage S c m 2 Section de passage fluide d un passage folié colmaté (= S 0 S c ) S w,d m 2 Surface pariétale de dépôt dans une maille S w,f m 2 Surface pariétale d un passage folié Sc Nombre de Schmidt t s Temps T s Temps de déposition total T l K Température du liquide t + p Temps de relaxation des particules U chute m.s 1 Vitesse de chute des particules U l m.s 1 Vitesse du liquide U m m.s 1 Vitesse du mélange diphasique homogène U r m.s 1 Vitesse relative des deux phases U τ m.s 1 Vitesse de frottement pariétale U z m.s 1 Vitesse verticale du mélange diphasique homogène V c m 3 Volume de colmatage dans un passage folié V f m 3 Volume de fluide dans une maille V tot m 3 Volume total d une maille X Vecteur des constantes de modélisation inconnues Grec α % Constante (= ) β m 3 Constante (= ) Γ p kg.kg 1 Fraction massique en particules Γ alim p kg.kg 1 Fraction massique en particules en entrée de GV Γ s kg.kg 1 Fraction massique en espèces solubles Γ max s kg.kg 1 Limite de solubilité des espèces solubles H J.kg 1 Chute d enthalpie H Chute d enthalpie adimensionnelle (= H/U 2 ) P bar Pertes de charge t s Pas de temps de déposition ε c Porosité du dépôt de colmatage ε e Porosité du dépôt d encrassement ε f Porosité fluide η Critère de convergence de la méthode inverse θ C Angle entre la direction des surfaces de dépôt et la direction verticale 12

13 Nomenclature Θ % Combinaison de paramètres déterminés par le logiciel THYC et le module COLMATHYC κ Ratio entre le volume d espèces solubles précipitées et le volume de particules déposées (= V s /V p ) λ W.m 1.K 1 Conductivité thermique µ kg.m 1.s 1 Viscosité dynamique ν m 2.s 1 Viscosité cinématique (= µ/ρ) ξ Cœfficient de perte de charge ρ kg.m 3 Masse volumique σ Transparence de la Plaque Entretoise (= S 0 /S 1 ) τ c Taux de colmatage τ m kg.m 1.s 2 Tenseur des contraintes turbulentes et visqueuses φ m W.m 2 Vecteur de flux de chaleur conductif du mélange diphasique homogène φ w W.m 2 Flux thermique surfacique pariétal Φ kg.m 2.s 1 Flux de matières χ Rapport entre la surface de dépôt projetée sur un plan horizontal et la surface de dépôt totale Ψ kg.m 2.s 1 Composante connu des flux de matières (= Φ/a) Ω Ensemble des indices des flux de matières Indices adh alim c connu crist d dif f e eb elar f g h i inc inert l m o p q r Adhésion Alimentaire Colmatage Connu Croissance cristalline Déposition (colmatage ou encrassement) Diffusion Encrassement Ébullition Élargissement Fluide Vapeur Matière en suspension (particule ou espèce soluble) Entrée du domaine CFD Inconnu Inertie Liquide Mélange diphasique homogène Sortie de domaine CFD Particule Mécanisme physique de déposition ou d arrachement Arrachement 13

14 Nomenclature ret s sedim t thermo tot v w Rétrécissement Espèce soluble Sédimentation Transport Thermophorèse Total Vena contracta Paroi Exposants 0 Initial i Itération de la méthode inverse j Passage folié k Ensemble de passages foliés max Maximum mes Mesure x Valeur locale de la variable x x Valeur moyenne de la variable x Abréviations BAV BC BF CFD CF ETV GV NGL P2C PE PT REP REX THYC VF Terminologie BOUTHYC Code_Saturne COLMATHYC Composant Locale Système Barre Anti-Vibratoire Branche Chaude Branche Froide Computational Fluid Dynamics Courant de Foucault Examens TéléVisuels Générateur de Vapeur Niveau Gamme Large Essais expérimentaux Pertes de Charge sous Colmatage Plaque Entretoise Plaque Tubulaire Réacteur à Eau Pressurisée Retour d EXpérience Logiciel : ThermoHYdraulique des Composants Volumes Finis Module de simulation de l encrassement à l échelle composant Logiciel de simulation à l échelle locale (CFD) Module de simulation du colmatage à l échelle composant Méso-échelle entre l échelle locale (CFD) et l échelle système Échelle utilisée en CFD Échelle utilisée pour le comportement global d un constituant 14

15 Introduction L encrassement est un phénomène physique assez commun qui peut être observé dans de nombreuses applications domestiques ou industrielles. Dans le dictionnaire de l Académie Française, il est défini par l état de ce qui est encrassé, maculé de crasse, ou plus précisément de ce qui est recouvert ou partiellement obstrué par un dépôt de déchets qui s accumulent. De nombreux exemples d encrassement sont présents dans la vie de tous les jours : le calcaire qui encrasse les cafetières, ou encore la suie qui encrasse les cheminées. Dans les applications industrielles, l encrassement est un phénomène qui affecte de nombreux composants technologiques. Parmi eux, une famille de composants est particulièrement concernée par ce phénomène : les échangeurs de chaleur. L encrassement des échangeurs de chaleur correspond au dépôt de matières ou de substances non désirées sur ses différentes surfaces. Il s agit d un processus dynamique, puisqu il se déroule de façon continue dans le temps jusqu à atteindre un état stationnaire, ou jusqu à ce qu un nettoyage de l échangeur soit nécessaire. L encrassement est également un processus relativement lent, puisque des dépôts de taille significative apparaissent usuellement après plusieurs années de fonctionnement de l échangeur. Bien que l encrassement ait d importantes répercussions sur les performances des échangeurs de chaleur, on ne lui a accordé qu une attention très limitée jusqu aux années Néanmoins, avec l émergence récente d une politique générale de réduction de la consommation énergétique et de meilleure efficacité de la production, l encrassement est devenu une problématique majeure pour les industriels. En effet, de nombreuses applications industrielles font intervenir des transferts thermiques, et nécessitent donc l utilisation d échangeurs de chaleur. A titre d exemple, on peut citer les industries pétrochimiques, agroalimentaires, et le cas qui nous intéresse plus particulièrement dans ces travaux de thèse : les centrales nucléaires de production d électricité. Dans ces dernières, un échangeur de chaleur du circuit secondaire est particulièrement soumis au phénomène d encrassement : le générateur de vapeur. Cet échangeur est d une importance capitale puisqu il constitue une des trois barrières de confinement des matières radioactives. Son intégrité est donc un élément-clé à préserver. C est pourquoi EDF s implique dans l étude du comportement thermohydraulique des générateurs de vapeur, et des différents phénomènes de déposition s y produisant. Le premier chapitre aborde de manière générale le contexte industriel dans lequel s inscrit le phénomène d encrassement dans les générateurs de vapeur. Il s agit d un dépôt de matières majoritairement situé sur les parois des tubes évaporateurs. Ce dépôt est problématique puisqu il provoque une résistance accrue aux échanges thermiques, et donc une détérioration globale des performances des générateurs de vapeur. Une attention particulière est apportée dans ces travaux de thèse au phénomène de colmatage, qui peut être considéré en première approximation comme un processus d encrassement entraînant une dégradation rapide des générateurs de vapeur. Il s agit ici d un dépôt de matières situé au niveau d interstices, appelés passages foliés, entre les plaques entretoises et les tubes.

16 Introduction Ce dépôt est problématique puisqu il obstrue les passages foliés, et perturbe ainsi la libre circulation de l écoulement thermohydraulique de l échangeur. Le deuxième chapitre est plus spécifiquement consacré à la description du phénomène de colmatage dans les générateurs de vapeur. La formation des dépôts de colmatage est décomposée en trois principales étapes interdépendantes. Les deux premières étapes sont communes à celles de l encrassement des tubes : les mécanismes de constitution du terme source de la matière et les mécanismes de transport de cette matière. La matière qui se dépose provient majoritairement de la corrosion des différents constituants qui se situent dans l ensemble du circuit secondaire en amont du générateur de vapeur. Cette matière est ensuite transportée sous forme de particules ou d espèces solubles par le fluide au niveau du générateur de vapeur dans lequel elle possède trois possibilités d évolution : soit rester en circulation, soit être évacuée par des purges situées en partie basse, ou soit se déposer sur les différentes parois internes. Cette déposition constitue précisément la troisième étape du phénomène de colmatage : les mécanismes de déposition de la matière. Ils constituent une spécificité relative à la localisation et à l impact du colmatage sur l écoulement qui la différencie du phénomène d encrassement des tubes. À ce jour, quatre mécanismes supposés sont répertoriés dans la littérature. Bien que ces mécanismes soient basés sur des processus physiquement différents, ils ont pour origine commune la contraction soudaine que subit le fluide en entrée de chaque passage folié. Les méthodes numériques pour la simulation de l encrassement et du colmatage à l échelle du sous-canal du faisceau de tubes sont détaillées dans le troisième chapitre : le logiciel THYC (ThermoHYdraulique des Composants) accompagné de deux modules de déposition nommés BOUTHYC et COLMATHYC. Le logiciel THYC est le code de calculs thermohydraulique diphasique tridimensionnel de référence à EDF pour simuler les écoulements à l échelle du sous-canal, échelle appelée également échelle composant. Sur la base des champs thermohydrauliques calculés, les modules BOUTHYC et COLMATHYC modélisent respectivement l encrassement et le colmatage à cette même échelle. Ces phénomènes de déposition et leurs cinétiques sont ainsi simulés dans l ensemble du générateur de vapeur, ce qui constitue le principal avantage de l échelle composant. En raison de la complexité de ces deux phénomènes et de l échelle de simulation choisie, l empirisme reste actuellement l unique moyen de les modéliser. Le modèle d encrassement sur lequel repose le module BOUTHYC est relativement bien décrit dans la littérature. En revanche, il n en est pas de même pour le colmatage. Le développement d un modèle de colmatage dans le module COLMATHYC pour simuler ce phénomène à l échelle composant fait précisément l objet de ces travaux de thèse. Sur le parc nucléaire français, les dépôts de colmatage peuvent être examinés de manière relativement fiable par différentes techniques d inspection. EDF dispose ainsi d une quantité importante de données industrielles sur le niveau de colmatage de ses différents générateurs de vapeur. L intégralité de ces données est capitalisée sous forme d un retour d expérience appartenant à EDF. Le modèle de colmatage développé dans ces travaux de thèse repose, quant à lui, sur des corrélations empiriques qui sont certes basées sur des mécanismes physiques, mais qui font intervenir des constantes de modélisation non nécessairement déterminées par la littérature. Une méthode mathématique, dite méthode inverse, a ainsi été développée dans le quatrième chapitre pour ajuster de manière optimale et automatique le modèle de colmatage sur les différentes observations issues du retour d expérience d EDF. Plus spécifiquement, cette méthode a pour objectif de déterminer la valeur optimale des différentes constantes de modélisation intervenant dans chacune des corrélations empiriques. Le cinquième chapitre, concernant le développement d un modèle de colmatage à 16

17 Introduction l échelle composant, et se décompose en trois parties. Premièrement, une analyse à l échelle locale (CFD) portant sur les écoulements hydrauliques à travers un passage folié d un générateur de vapeur est réalisée. Cette analyse se base sur des essais expérimentaux effectués à EDF et a pour objectif d obtenir une meilleure connaissance de l écoulement local. Les phénomènes de déposition étant très sensibles aux paramètres thermohydrauliques locaux, des améliorations significatives pour les modèles de déposition peuvent ainsi être obtenues. Sur la base de cette analyse, et également de résultats issus de la littérature, un modèle de colmatage à l échelle composant est proposé. Ce modèle se base sur deux étapes ayant lieu en entrée de chaque passage folié : une étape de déposition des particules appelée vena contracta, et une étape de consolidation du dépôt par précipitation d espèces solubles appelée flashing. Les résultats obtenus par ce modèle sont ensuite comparés à des niveaux de colmatage issus du retour d expérience, et un des remèdes actuellement envisagé sur le parc nucléaire français pour atténuer ce phénomène de colmatage est mis en évidence. Le sixième chapitre aborde l impact des dépôts de colmatage sur l écoulement du circuit secondaire dans les générateurs de vapeur. Un couplage entre le logiciel THYC et le module COLMATHYC est ainsi effectué. En présence de colmatage important, le mode de fonctionnement du générateur de vapeur est fortement affecté, dégradant ainsi ses performances et son intégrité. 17

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19 Chapitre 1 Contexte industriel 1.1 Principe de fonctionnement d un Réacteur à Eau Pressurisée Un Réacteur à Eau Pressurisée (REP) est composé de trois circuits (figure 1.1) : le circuit primaire situé entièrement dans le bâtiment réacteur (à gauche), le circuit secondaire qui récupère la chaleur du circuit primaire sous forme de vapeur pour faire tourner la turbine et qui occupe principalement la salle des machines (au centre), et le circuit tertiaire relié à la source froide (à droite : tour aéroréfrigérante, fleuve, etc.). Le bâtiment réacteur contient le réacteur nucléaire, les générateurs de vapeur et le pressuriseur. Dans la salle des machines se trouvent la turbine, l alternateur et le condenseur. Le circuit tertiaire fait le lien entre le condenseur et l environnement extérieur. L ensemble de ces bâtiments forme une tranche nucléaire. Le parc nucléaire français est composé de 58 tranches réparties sur 19 sites d exploitation puisque chaque centrale nucléaire EDF comprend entre deux ou quatre tranches, ou même six tranches pour le site de Gravelines. Chaque tranche nucléaire se caractérise essentiellement par son type de réacteur et la puissance de son groupe turbo-alternateur, et les caractéristiques de ses composants varient selon le palier auquel elle appartient. Le palier désigne l ensemble des centrales nucléaires d une même puissance électrique. Concernant les REP du parc nucléaire français, trois paliers existent : le palier 900 MW e composé de 34 tranches, le palier 1300 MW e composé de 20 tranches et le palier 1450 MW e composé de 4 tranches. Tous les 12 à 18 mois, chaque tranche est arrêtée afin d effectuer des opérations de maintenance et de recharge des assemblages combustibles, voire de remplacement de certains constituants. La période séparant deux arrêts pour rechargement est appelée un cycle. Dans le cas d un REP, la production d électricité repose sur le même principe que les centrales thermiques : une source de chaleur transforme de l eau en vapeur et actionne une turbine pour produire de l électricité. Le circuit primaire récupère la quantité de chaleur produite par la réaction de fission nucléaire ayant lieu dans les crayons combustibles (composés d oxydes d uranium). L énergie de fission est ainsi convertie en énergie thermique. L eau est chauffée de 280 C à 320 C lors de son passage dans la cuve du réacteur où se trouvent les assemblages combustibles. Elle est maintenue à l état liquide à une pression de 155 bar grâce au pressuriseur. Le circuit primaire chauffe le circuit secondaire par échange thermique au niveau d un échangeur de chaleur appelé Générateur de Vapeur (GV). Côté secondaire dans le GV, la pression est moins importante, de l ordre de 55 bar en fonctionnement nominal. Grâce à ce transfert thermique, l eau du circuit secondaire se transforme en vapeur. Cette vapeur

20 Chapitre 1. Contexte industriel Figure 1.1 Fonctionnement d une centrale nucléaire à eau pressurisée et à tour aéroréfrigérante pour la source froide (Source EDF) est détendue au passage d une turbine permettant la mise en rotation des ailettes et donc la conversion de l énergie thermique en énergie mécanique. Couplée à un alternateur, la turbine produit de l électricité transformant ainsi l énergie mécanique en énergie électrique. Après avoir été détendue, la vapeur est refroidie grâce à un condenseur connecté au circuit tertiaire. L eau revenue à l état liquide est à nouveau réinjectée dans le Générateur de Vapeur. Le circuit tertiaire est un circuit ouvert dans le cas d une alimentation en eau provenant de la mer ou d un fleuve, ou fermé dans le cas d un aéroréfrigérant. Les installations nucléaires sont conçues en respectant des principes de sûreté élevés. La sûreté nucléaire regroupe l ensemble des dispositions techniques, organisationnelles et humaines qui sont destinées à préserver l homme et son environnement de toute dissémination de produits radioactifs ou à en limiter les effets. Ces dispositions sont mises en œuvre tout au long de la vie d une centrale nucléaire, de la conception à l exploitation et jusqu à la déconstruction. La sûreté nucléaire repose en particulier sur le principe des trois barrières entre les substances radioactives (produits issus de la fission de l uranium) et l environnement que représentent : la gaine métallique des crayons combustibles, l enveloppe du circuit primaire dont le Générateur de Vapeur, et l enceinte de confinement que constitue le bâtiment réacteur. Ces barrières agissent comme des éléments emboîtés les uns dans les autres. Si la première barrière de sûreté est rompue, les deux autres barrières continuent à assurer l étanchéité et la sûreté. Le confinement est ainsi maintenu afin d éviter toute dispersion de substances radioactives à l extérieur de la centrale. En tant qu exploitant, EDF est garant de la sûreté des centrales nucléaires devant l Autorité de Sûreté Nucléaire (ASN). 1.2 Rôle du Générateur de Vapeur dans le circuit secondaire Le Générateur de Vapeur (GV) joue deux principaux rôles dans le circuit secondaire. D une part, le GV est un échangeur de chaleur qui assure le transfert de la chaleur de l eau du circuit primaire au circuit secondaire. Ce transfert s effectue par vaporisation de l eau du circuit secondaire. D autre part, en tant qu interface entre le circuit primaire et le circuit secondaire, le GV joue un rôle crucial en matière de sûreté. Il fait partie de la seconde des trois barrières citées précédemment entre les produits radioactifs et 20

21 1.2. Rôle du Générateur de Vapeur dans le circuit secondaire Poste d eau Eau alimentaire Générateur de Vapeur Vapeur Turbine Eaux "sales" Purge Condenseur Figure 1.2 Schéma de fonctionnement simplifié du circuit secondaire l environnement. Néanmoins, en cas de perte de l étanchéité entre les circuits primaire et secondaire à l intérieur du GV, les produits radioactifs éventuellement présents dans l eau primaire peuvent gagner la salle des machines et donc by-passer la troisième barrière constituée par l enceinte de confinement. L intégrité du GV est donc un élément-clé à préserver Principe de fonctionnement du circuit secondaire L eau liquide en provenance du poste d eau, appelée eau alimentaire, est injectée dans le GV dans lequel elle se vaporise (figure 1.2). Cette eau liquide transporte des impuretés essentiellement issues des produits de corrosion générés dans le poste d eau. Des purges, positionnées en partie basse du GV, évacuent ainsi une partie de ces eaux sales du circuit secondaire. En sortie de GV, la vapeur est envoyée dans les différents corps de la turbine afin de les alimenter et de produire de l électricité. Après la sortie de la turbine, la vapeur passe de nouveau à l état liquide grâce au condenseur. Cette eau liquide est enfin injectée au niveau du poste d eau à partir duquel elle circule de nouveau dans le GV Principe de fonctionnement d un Générateur de Vapeur Le GV est un échangeur vertical, à tubes en U renversé, équipé dans sa partie supérieure d équipements de séparation et de séchage eau-vapeur (figure 1.3). L eau du circuit primaire circule à l intérieur des tubes en U où elle entre et sort du générateur de vapeur par l intermédiaire des tubulures primaires. L eau du circuit primaire pénètre dans le faisceau tubulaire en bas de GV côté Branche Chaude (BC). En entrée de GV, l eau du circuit primaire est à une température comprise entre 321 C et 330 C, et à une pression d environ 155 bar. Lors de son écoulement dans les tubes, l eau du circuit primaire se refroidit en transférant son énergie thermique par conduction et convection à travers la paroi au fluide du circuit secondaire circulant à l extérieur des tubes. Après son ascension, l eau du circuit primaire entame une phase de descente dans les tubes côté Branche Froide (BF) où elle continue à transférer son énergie thermique au fluide du circuit secondaire. Elle quitte ensuite le GV puis est réinjectée par une pompe dans le cœur du réacteur pour récupérer de l énergie thermique issue de la réaction nucléaire. En sortie de GV, la température de l eau du circuit primaire est comprise entre 284 C et 293 C. La zone située entre la BC et la BF dans la partie non tubée au centre du GV est appelé la rue d eau. L eau alimentaire, en provenance du poste d eau, est injectée en partie haute du GV où elle est répartie sur toute la périphérie du GV par l intermédiaire d un tore d alimentation. Cette eau alimentaire, à sa sortie du tore d eau, se mélange avec l eau de drainage issue 21

22 Chapitre 1. Contexte industriel Figure 1.3 Schéma de fonctionnement d un Générateur de Vapeur des équipements de séparation et de séchage de la vapeur (détaillés ci-après), puis descend dans le retour d eau jusqu au bas de GV. Elle s écoule alors de bas en haut dans la partie tubulaire et dans la rue d eau du GV à l extérieur des tubes en U, que ce soit côté BC ou côté BF. Au contact des tubes, l eau du circuit secondaire absorbe l énergie thermique fournie par le circuit primaire, s échauffe, puis se vaporise. La vapeur engendrée côté secondaire monte le long du faisceau tubulaire où elle atteint une pression comprise entre 57 bar et 74 bar et une température de l ordre de 270 C, selon le type de GV associé à un palier donné. Elle poursuit son ascension à travers les équipements de séparation et de séchage du mélange eau-vapeur dont la fonction est de séparer la phase liquide et la phase gazeuse. Ces équipements sont constitués de séparateurs de type cyclone et de cadres sécheurs situés au-dessus des séparateurs délivrant une vapeur sèche de titre minimum de %. La vapeur s échappe ensuite par l échappement vapeur située sur le fond supérieur en haut de GV et doit impérativement être suffisamment sèche pour éviter toute détérioration des ailettes de la turbine Architecture générale d un Générateur de Vapeur Différents types de GV existent sur le parc nucléaire français. Chaque type de GV est caractérisé par deux nombres principaux qui représentent le nombre de centaines de mètres carrés composant la surface d échange du faisceau tubulaire, et la longueur en millimètres du diamètre des tubes. Par exemple, pour une centrale de palier 900 MW e, le GV peut être de type 47/22, ce qui signifie qu il possède une surface d échange de chaleur de 4700 m 2 et un diamètre de tubes de 22 mm. Une description détaillée des différents types de GV des tranches REP est proposée dans le rapport (Bertin and Percout, 2000). Généralement, un GV mesure environ 20 mètres de hauteur, 3 mètres de diamètre, et pèse 22

23 1.2. Rôle du Générateur de Vapeur dans le circuit secondaire Figure 1.4 Principaux constituants d un Générateur de Vapeur (Source EDF) jusqu à 300 tonnes (figure 1.4). Les principaux éléments qui constituent un GV sont les suivants : les organes impliqués dans l échange thermique : le faisceau tubulaire composé de tubes en forme de U renversé (figure 1.5 à gauche). Les tubes sont relativement fins puisque leur diamètre mesure environ 2 cm, et leur nombre varie entre 3500 et 5600 tubes selon le type de GV. Le faisceau tubulaire présente une surface d échange importante, comprise entre 4700 m 2 et 7300 m 2, afin de permettre un transfert thermique maximal entre le fluide du circuit primaire circulant à l intérieur des tubes et le fluide du circuit secondaire circulant à l extérieur des tubes ; les plaques de maintien du faisceau de tubes : la Plaque Tubulaire (PT), les Plaques Entretoises (PE), et les Barres Anti-Vibratoires (BAV). La PT, sur laquelle est fixée le faisceau tubulaire en bas de GV, est une pièce massive de forte épaisseur et est percée de trous de passage pour les tubes d échanges. Le faisceau tubulaire est également maintenu par une série de 8 ou 9 PE positionnées horizontalement le long du GV (figure 1.5 à droite). Ces PE sont elles-mêmes maintenues entre elles par des tiges spécifiques appelées tirants. Le nombre de PE dépend du type de GV et du palier de la centrale nucléaire. Outre sa fonction de maintien des tubes et d atténuation des vibrations induites par l écoulement, les PE garantissent également un écoulement homogène du fluide du circuit secondaire grâce à la présence d inter- 23

24 Chapitre 1. Contexte industriel Figure 1.5 Photos d éléments du Générateur de Vapeur : Vue de dessus du faisceau tubulaire au niveau de sa partie cintrée (à gauche) et section de tube et Plaque Entretoise d un Générateur de Vapeur de type 47/22 (à droite) (Source EDF CEIDRE) stices appelés passages foliés. Ces passages foliés sont réparties de manière uniforme sur chaque PE. Les BAV assurent également une fonction de maintien des tubes au niveau de la partie cintrée du faisceau tubulaire située en partie haute de GV ; les séparateurs vapeur humide / vapeur sèche : cyclones, cadres sécheurs et échappement vapeur. Positionnés en haut de GV, ils limitent l humidité de la vapeur de sortie, qui fait d une part baisser le rendement de la turbine et qui présente d autre part un risque pour leur intégrité. 1.3 Encrassement et colmatage dans les Générateurs de Vapeur Phénomènes d encrassement et de colmatage Des phénomènes de déposition de matières transportées par le fluide caloporteur affectent les échangeurs de chaleur dans les installations industrielles. En particulier, dans le domaine du nucléaire, ces phénomènes de dépôts ont été observés dans les GV de certains réacteurs du parc nucléaire français après plusieurs années de fonctionnement. L origine de ces dépôts provient de la vaporisation de l eau du circuit secondaire au passage du GV. En entrée de GV, l eau alimentaire à l état liquide transporte des impuretés. En sortie de GV, cette eau, sous forme vapeur, ne peut transporter et évacuer ces impuretés à l extérieur du GV. Ainsi, malgré la présence de purges, des impuretés issues du circuit secondaire s accumulent à l intérieur du GV et forment des dépôts. Deux types de dépôts principaux sont définis selon leur localisation dans le GV et les différentes perturbations du fonctionnement qu ils engendrent : l encrassement et le colmatage. Le phénomène d encrassement est relativement bien décrit dans la littérature (De- 24

25 1.3. Encrassement et colmatage dans les Générateurs de Vapeur Figure 1.6 Photo de l encrassement d un Générateur de Vapeur : Branche Froide (à gauche) et Branche Chaude (à droite) (Source EDF CEIDRE) masles et al., 2006) puisqu il se révèle problématique dans différents champs d applications industrielles tels que les échangeurs thermiques, les conduites et canalisations, les systèmes de filtration, etc. Dans le cas d un GV, il s agit d un dépôt de matières situé plus particulièrement sur les parois des tubes évaporateurs (figure 1.6). Il se situe également sur la plaque tubulaire qui se trouve en bas du GV. Mélangé à l eau, ce dépôt est généralement appelé dépôt de boue. Les masses totales de dépôts liées à l encrassement peuvent devenir très importantes au cours d une période atteignant 20 années de fonctionnement : de 1 à 4 tonnes pour les GV les plus encrassés. Le colmatage (Corredera et al., 2008) est, quant à lui, un phénomène plus rare au niveau international mais ayant pris de l importance sur certains GV du parc nucléaire français. Ce phénomène est causé par un dépôt qui se situe au niveau des interstices des Plaques Entretoises et du faisceau tubulaire et qui les obstrue, empêchant ainsi la libre circulation du fluide du circuit secondaire. Ces interstices forment des ensembles appelés passages quadrifoliés ou trifoliés en fonction du nombre d interstices par tube, qui dépend du type de GV. Les passages quadrifoliés ou trifoliés peuvent subir des dépôts de colmatage pouvant aller jusqu à leur obturation totale (figure 1.7). Les masses totales de dépôts liées au colmatage sont nettement moins importantes que celles liées à l encrassement. Elles ont été estimées à quelques dizaines de kilogrammes pour les GV les plus colmatés Problématiques liées à l encrassement Le problème majeur qu induit l encrassement et qui le caractérise est une résistance accrue à l échange thermique, d où une détérioration des transferts d énergie thermique entre le circuit primaire et le circuit secondaire. En l absence d encrassement, c est-à-dire pour un GV n ayant subit aucun phénomène de déposition, la résistance thermique globale est composée de trois termes : une résistance de convection entre le fluide du circuit primaire et le tube, une résistance de conduction à travers le tube et une résistance de convection entre le tube et le fluide du circuit secondaire. En cas d encrassement, une résistance thermique supplémentaire, définie comme étant la résistance aux transferts thermiques provoquée par la présence de dépôts, s ajoute à la résistance thermique globale. Cette résistance supplémentaire est généralement appelée résistance d encrassement. Sa valeur évolue lors du fonctionnement du GV en fonction des propriétés géométriques de l échangeur et du caractère encrassant du fluide du circuit secondaire. À terme, elle détériore 25

26 Chapitre 1. Contexte industriel Figure 1.7 Photo du colmatage d un Générateur de Vapeur : Vue de dessus d un passage folié non colmaté (à gauche) et colmaté à environ 100 % (à droite) (Source EDF CEIDRE) l efficacité du GV en augmentant le coefficient global de transfert thermique entre le fluide du circuit primaire et le fluide du circuit secondaire. Les performances du GV en termes d échange de chaleur sont ainsi dégradées. Le phénomène d encrassement est particulièrement étudié puisqu il est à l origine de différentes problématiques de fonctionnement pour les centrales nucléaires, engendrant ainsi des surcoûts importants. Trois types de surcoûts sont associés aux parades mises en place pour lutter contre l encrassement. Premièrement, afin de compenser la résistance d encrassement et d assurer un minimum de puissance échangée, le GV est conçu de manière à surdimensionner ses surfaces d échange. Deuxièmement, la perte de transfert d énergie entre le fluide du circuit primaire et le fluide du circuit secondaire provoquée par la résistance d encrassement doit généralement être compensée par une utilisation accrue de l énergie du circuit primaire, d où des surcoûts de fonctionnement et des pertes de rendement au sein de la tranche. Troisièmement, si le phénomène d encrassement est mal anticipé ou sous évalué, des arrêts de production devront être nécessaires afin d effectuer des opérations de maintenance et de nettoyage du GV, entraînant ainsi des pertes de production Problématiques liées au colmatage Bien qu ils possèdent une masse totale nettement inférieure à celle des dépôts d encrassement, les dépôts de colmatage peuvent induire une détérioration des matériaux présents à l intérieur du GV. Ils sont à l origine de deux impacts majeurs sur le fonctionnement de ce dernier : un impact mécanique et un impact hydraulique. L impact mécanique est caractérisé par la modification de l écoulement du circuit secondaire liée au colmatage. D une part, la répartition du colmatage sur chaque Plaque Entretoise du GV n étant pas uniforme, le fluide est redistribué des passages foliés dont l obturation est la plus importante vers ceux dont l obturation est la moins importante. Cette redistribution du fluide provoque ainsi l apparition de vitesses transverses aux tubes. D autre part, le rétrécissement de la section de passage du fluide causé par le colmatage induit, par conservation du débit, des zones de survitesses locales. Ces phénomènes de vitesses transverses aux tubes et de survitesses locales favorisent le développement d instabilités vibratoires dans le GV qui conduisent, dans certains cas, à des fissurations de tubes pouvant entraîner l arrêt de la tranche. Outre la fatigue vibratoire du faisceau tubulaire, 26

27 1.3. Encrassement et colmatage dans les Générateurs de Vapeur le colmatage peut induire d autres détériorations dans le GV. Par exemple, la présence de colmatage sur une Plaque Entretoise diminue sa section de passage totale pour le fluide du circuit secondaire. Le chargement dynamique appliqué par la force qu exerce le fluide du circuit secondaire sur cette Plaque Entretoise colmatée est ainsi augmenté, ce qui induit notamment un risque de rupture des tirants dans le GV. L impact hydraulique est lié à la diminution de la masse totale d eau liquide dans le GV. Cette diminution est quantifiable par une baisse importante du taux de recirculation du GV. Le taux de recirculation du GV est défini comme le rapport entre le débit massique total du fluide circulant dans le faisceau tubulaire et le débit massique de la vapeur produite par le GV. En l absence de colmatage, il possède une valeur garantissant une masse totale suffisante d eau liquide dans le GV afin d éviter son assèchement. L augmentation des pertes de charge liée à la présence du colmatage entraîne une diminution de ce taux de recirculation, et donc une vaporisation plus massive de l eau liquide dans le GV Retour d EXpérience sur le colmatage Dans les années 1980, Atomic Energy of Canada Limited (AECL) a été confronté aux problèmes de dépôts d oxydes au sein des passages tri- ou quadrifoliés des PE des GV du parc nucléaire canadien (Klimas and Turner, 2009). Actuellement, EDF connaît également un problème comparable de colmatage pour certaines des centrales nucléaires appartenant à son parc (Adobes et al.). Ce phénomène a été à l origine de trois fissurations significatives de tubes de GV qui ont eu lieu sur un site d exploitation entre 2004 et Ces fissurations sont des incidents classés au niveau 1 de l échelle INES ( anomalie sortant du régime de fonctionnement autorisé ). La position d un tube dans un GV est localisée par un ensemble de deux indices que sont la colonne et le rang. La colonne indique la position du tube selon l axe de la rue d eau alors que le rang indique la rangée à laquelle appartient le tube à partir de l axe de la rue d eau. Les trois fissurations mentionnées précédemment sont apparues sur des tubes de rang 8 en position centrale du faisceau tubulaire du GV (figure 1.8). Plusieurs caractéristiques des dépôts de colmatage ont été identifiées par l analyse du Retour d EXpérience (REX) de ces deux exploitants de centrales nucléaires. Il apparaît ainsi que le dépôt se situe côté tube mais également côté Plaque Entretoise, et en entrée du passage folié, c est-à-dire en amont par rapport au sens de l écoulement du circuit secondaire (figure 1.9). Ce dépôt est atypique puisqu une part importante de matière se dépose sur la Plaque Entretoise au niveau du bord d attaque en entrée de passage folié. Cette zone n est pourtant ni sujette aux transferts thermiques ni à l ébullition pariétale, et n est donc à priori pas une zone de déposition préférentielle. Le dépôt a une forme de lèvre colmatante qui croît perpendiculairement à l écoulement. Il est majoritairement composé de magnétite, mais contient également des espèces minoritaires telles que du cuivre, du nickel, du chrome, divers autres oxydes, etc. Cette matière source des dépôts dans le GV provient principalement de la corrosion des composants en contact avec l eau du circuit secondaire. Bien qu elles soient en faible quantité, les espèces minoritaires jouent un rôle essentiel dans d obtention d un dépôt très dur et capable de résister aux contraintes imposées par l écoulement du circuit secondaire. La porosité du dépôt de colmatage est généralement estimée à une valeur comprise entre 0 % et 5 %, ce qui rend le dépôt très dense. Le REX des GV du parc a montré une grande diversité en termes d intensité et de répartition de colmatage sur l ensemble des PE. Malgré cela, la tendance générale semble indiquer que le colmatage pour les GV très colmatés est plus importante sur la PE la plus haute, et en Branche Chaude par rapport à la Branche Froide. 27

28 Chapitre 1. Contexte industriel Figure 1.8 Section d une demi-plaque Entretoise et du faisceau tubulaire côté Branche Chaude avec les positions des fissurations de tubes de rang 8 survenues pour un Générateur de Vapeur du parc nucléaire français (Source EDF) Figure 1.9 Schéma des profils typiques de colmatage issus de géométries bestestimates dans un passage folié pour différents taux de colmatage (Source EDF) 28

29 1.4. Enjeux et objectifs de la thèse Initiatives d EDF Face au problème du colmatage, EDF a pris deux initiatives principales. En premier lieu, des opérations de maintenance sur sites d exploitation pour essayer d atténuer ou même de supprimer ce phénomène par une approche curative ont été réalisées. En effet, la mise en propreté des composants du circuit secondaire, et donc du GV, peut être faite par un procédé mécanique ou chimique (Adobes et al.). Par exemple, les lavages mécaniques consistent à projeter de l eau déminéralisée à haute pression sur les plaques pour retirer les dépôts lors des arrêts de tranches. Ils s avèrent néanmoins inefficaces face aux dépôts très durs qui constituent le colmatage. L encombrement induit par la présence du faisceau tubulaire engendre également des difficultés d accès aux dépôts, limitant ainsi le nettoyage au bas du GV au niveau de la plaque tubulaire. Les lavages chimiques, quant à eux, consistent en la dissolution des dépôts, même extrêmement durs, par injection d une solution chimique dans le GV. Ils effectuent un nettoyage de tous les éléments du GV inaccessibles par les lavages mécaniques tels que les PE supérieures, le faisceau tubulaire et les passages foliés. Ce nettoyage est actuellement la méthode la plus efficace pour éliminer la plupart des dépôts d encrassement et de colmatage, et ainsi rétablir la propreté et le bon fonctionnement du GV. Il reste néanmoins une opération coûteuse, délicate à réaliser et reposant sur un choix de procédé chimique à adopter. Le choix de ce procédé est basé sur une analyse des objectifs du nettoyage, du niveau d encrassement et de colmatage dans le GV, et des propriétés physico-chimiques des dépôts à éliminer. Il est également soumis à différentes contraintes telles que les risques de corrosion des éléments internes au GV au contact des solutions chimiques, l impact sur l exploitation de la tranche et sur l environnement, ainsi que les coûts de mise en oeuvre. En second lieu, EDF R&D a mis en place plusieurs projets dont l objectif principal est de parvenir à la compréhension et à la modélisation du phénomène de colmatage à l échelle du GV. L un de ces projets a pour objectif de renforcer le niveau de qualification de la chaîne de calculs prévisionnelle de l endommagement d origine vibratoire des tubes de GV. Ce projet intègre des axes de travail tels que les méthodes d évaluation du niveau de colmatage, la compréhension des mécanismes du phénomène, et l amélioration des méthodes et des outils de simulation du comportement thermohydraulique et vibratoire des GV et de leurs faisceaux de tubes, en présence de colmatage. Prenant en compte la prévision des niveaux de colmatage et d encrassement à l échelle du composant GV, ce projet héberge la présente thèse. Deux autres projets ont également été mis en place à EDF R&D. Le premier projet a pour objectif d optimiser le conditionnement chimique du circuit secondaire des centrales REP en vue de réduire le terme source de l encrassement et du colmatage tout en évitant les risques de dégradation des composants. Il intègre le suivi des études menées sur la caractérisation des conditions physico-chimiques menant au colmatage. Le second projet se propose de comprendre et modéliser la formation de dépôt de particules sous écoulement à l échelle locale (Guingo, 2008; Guingo and Minier, 2008; Henry et al., 2012). En particulier, ce projet a pour objectif, dans une première étape, de disposer d un modèle de déposition prédisant le colmatage en écoulement monophasique liquide aux conditions rencontrées dans les REP. 1.4 Enjeux et objectifs de la thèse La compréhension du phénomène de colmatage contribue à assurer le bon fonctionnement et la sûreté des centrales du parc nucléaire français. Les cinq enjeux majeurs qui 29