MODÉLISATION DE L ÉCOULEMENT DANS UN RÉACTEUR À EFFET VORTEX : ÉTUDE DU MÉLANGEAGE

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Marie-Rose Ève Forget
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1 MODÉLISATION DE L ÉCOULEMENT DANS UN RÉACTEUR À EFFET VORTEX : ÉTUDE DU MÉLANGEAGE B. ZOPPÉ (1,), O. LEBAIGUE (), F. DUCROS (), M. BERTRAND (1) (1) CEA Valrho Marcoule DEN/DRCP/SCPS/LCA () CEA Grenoble DEN/DER/SSTH/LMDL 1-15 juin REACTEURS DANS L INDUSTRIE DU NUCLEAIRE Manipulation de matière radioactive à grande échelle développement de réacteurs spécifiques Mobiles d'agitation classiques en procédé pas adaptés Exemple : retraitement des combustibles irradiés réacteur de précipitation agité par un barreau magnétique sans chicane Procédé PUREX : Conversion du Pu en oxyde par précipitation oxalique 1/ TETE D'USINE / EXTRACTIONS 3/ PRODUITS FINIS Traitements Mécaniques Dissolution Clarification Séparation U/Pu Purification U PF Stockage U Purification Pu Conversion PuO Pièces de structure Produits de Fission PF 1-15 juin 007 1

2 Description du précipitateur Réacteur à Effet (REV) Particularités : Cuve cylindrique non chicanée Surface libre Formation d un vortex Mobile d agitation en fond de cuve Barreau magnétique (sans axe de rotation) Réactifs Réactifs Précipité Précipité 1-15 juin État de l art Le CEA a entamé depuis plusieurs années une démarche de modélisation de la précipitation : Modélisation des écoulements par combinaison de RPA Étude expérimentale mesures de distribution de temps de séjour tests de micromélange thèse INPL : Catherine Eysseric Acquisition des lois cinétiques de nucléation et de croissance cristalline Étude phénoménologique des mécanismes thèse INPL : Murielle Andrieu 1ère modélisation globale de la précipitation oxalique - Résolution du bilan de population (nucléation, croissance et agglomération) couplée à un code CFD - Hydrodynamique : approche moyennée (RANS) - modèle de turbulence k-ε - Chimie : PDF thèse INPL : Y. Sommer de Gélicourt 1-15 juin 007 4

Objectifs actuels Code de simulation de la précipitation oxalique de l oxalate de plutonium Pouvoir contrôler la formation et les caractéristiques du précipité Modélisation de la chimie (CEA

3 Objectifs actuels Code de simulation de la précipitation oxalique de l oxalate de plutonium Pouvoir contrôler la formation et les caractéristiques du précipité Modélisation de la chimie (CEA Marcoule) : - Résolution du bilan de population (nucléation, croissance et agglomération) Modélisation hydrodynamique (CEA Grenoble) : - Prise en compte de la nature instationnaire des écoulements développés au sein du réacteur à effet vortex - Calcul des champs de vitesse instantanés avec Trio_U => approche par Simulation des Grandes Échelles (SGE ou LES) - Validation des simulations à partir de mesures expérimentales => Combinaison des modèles via une interface logiciel pour simuler la précipitation 1-15 juin Conditions de calcul Écoulement turbulent : Re a = ND²/ν = 6, Modélisation instationnaire : - Simulation des grandes échelles (SGE) - Turbulence sous maille : WALE Calcul diphasique : - liquide (eau) ρ=1000 kg/m 3 ν= 10-6 m²/s - gaz (air) ρ=1,9 kg/m 3 ν= 10-5 m²/s Maillage : éléments tétraédriques Simplifications du procédé : - pas de déversoir - pas de réactif H D T H i 1-15 juin

Conditions de calcul Conditions aux limites : - parois - sortie libre à pression constante Modélisation de l interface : - méthode de suivi d interface -

agitation : - méthode d interface immergée - vitesse de déplacement imposée État initial : - fluide au repos - interface plane horizontale - module d

4 Conditions de calcul Conditions aux limites : - parois - sortie libre à pression constante Modélisation de l interface : - méthode de suivi d interface - maillage lagrangien indépendant - déplacement en fonction de l hydrodynamique de l écoulement Sortie pression constante interface Modélisation du module d agitation : - méthode d interface immergée - vitesse de déplacement imposée État initial : - fluide au repos - interface plane horizontale - module d agitation à N constante dès t=0s Frontière immergée Parois 1-15 juin Champ de vitesse Surface libre mobile : mouvement de précession du vortex Vitesse 1-15 juin

Visualisation des structures turbulentes Visualisation à l aide du

Parties symétrique et antisymétrique du tenseur des gradients de vitesse

du champ de vitesse sur le mélange des réactifs sur la carte de

5 Visualisation des structures turbulentes Visualisation à l aide du critère Q (indicateur de turbulence) 1 Q = ( Ωij Sij) Ω ij et S ij Parties symétrique et antisymétrique du tenseur des gradients de vitesse Critère Q 1-15 juin Temps réaction chimique très faible Influence du champ de vitesse sur le mélange des réactifs sur la carte de sursaturation sur le bilan de population Calcul instantané Calcul moyenné 1-15 juin

6 Vitesse tangentielle moyenne Couche limite libre forcé libre Couche limite Vt* 0. rc* libre forcé Rayon critique : r* Nagata Le Lan r c r c Rea * =,11* Re Rea * =,7 * Re 0630 a a Présente étude ~0.6 Nagata Le Lan juin Vitesse radiale et axiale moyenne Vz* forcé r* Vitesse axiale moyenne Vitesse radiale moyenne r*=1,13 libre Vr* Refoulement de l agitateur forcé z* 1-15 juin

Géométrie du Nagata h = h = h h a a + + 1 1 π π * ( r ) c * ( r ) c rc D Fr r r c D Fr r Pour 0 r r c Pour r c r T/ H i ha h t 1.15 1.05 0.95 h* 0.

des champs de vitesse de l écoulement 3 composantes de vitesse Ur, Ut, Uz ( parmi 3 en un même point au même instant) Imagerie par fluorescence

7 Géométrie du Nagata h = h = h h a a π π * ( r ) c * ( r ) c rc D Fr r r c D Fr r Pour 0 r r c Pour r c r T/ H i ha h t h* r* 1-15 juin Validation expérimentale Mesures par Laser Doppler Velocimetry (LDV) (CEA Grenoble) Acquisition des champs de vitesse de l écoulement 3 composantes de vitesse Ur, Ut, Uz ( parmi 3 en un même point au même instant) Imagerie par fluorescence résolue dans le temps (CEA Marcoule) Profil de concentration à partir d un fluorophore sur une maille ~10µm Identification des zones de mélange 1-15 juin

Conclusions Nouvelles approche numérique pour la simulation hydrodynamique Modélisation par Simulation des Grandes Échelles (SGE) - Observation de l écoulement instantané et non moyenné - Mise en

au sein du réacteur 1-15 juin 007 15 Conclusions Premières validations du calcul très encourageantes Résultats en accord : - avec la théorie de Nagata (Forme du vortex et profil de vitesse

8 Conclusions Nouvelles approche numérique pour la simulation hydrodynamique Modélisation par Simulation des Grandes Échelles (SGE) - Observation de l écoulement instantané et non moyenné - Mise en évidence des structures turbulentes Q EVF Q E = Q EVF +Q EVL Q EVL Zone de vortex libre Q R = α Q E Q S Conséquences importantes à la fois sur le mélange des réactifs et la distribution des cristaux au sein du réacteur 1-15 juin Conclusions Premières validations du calcul très encourageantes Résultats en accord : - avec la théorie de Nagata (Forme du vortex et profil de vitesse tangentielle moyen) - avec les résultats expérimentaux (Profondeur du vortex et valeur du rayon critique) Applications actuelles Étude du déplacement d un champ de concentration dans l écoulement pour différentes positions de l alimentation Concentration 1-15 juin

9 Perspectives Hydrodynamique Amélioration de la discrétisation du maillage (Étude de sensibilité) Prise en compte de la géométrie complète (déversoir et alimentations) Validation du calcul Couplage hydrodynamique / chimie : Implantation d un module de chimie infiniment rapide dans le code hydrodynamique Trio_U (phénomènes de micromélange) Code de simulation de la précipitation oxalique complet avec prise en compte du mouvement propre des particules 1-15 juin

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