Soutenance de thèse

Les assemblages de combustible nucléaire dans le cœur d’un réacteur à eau pressurisée (REP) sont immergés dans un écoulement axial. Cet écoulement exerce une charge hydrodynamique sur les assemblages et est responsable de leur couplage et de leurs vibrations. De plus, lors d’un tremblement de terre ou d’un événement LOCA (Loss Of Coolant Accident), les assemblages de combustible sont soumis à de fortes oscillations. La charge hydrodynamique peut déformer les assemblages, générant une déformation arquée, tandis que des oscillations plus fortes, comme lors d’un événement sismique, peuvent être à l’origine d’impacts sur les assemblages. Afin de garantir l’intégrité et la sûreté du cœur du réacteur, les industries nucléaires souhaitent améliorer la connais-sance phénoménologique des interactions fluide-structure à l’intérieur du cœur d’un réacteur à eau pressurisée. Les ingénieurs ont donc besoin de modèles numériques pour le comportement mécanique et de campagnes expérimentales pour les valider et définir leurs limites.

L’étude présentée dans ce document est principalement divisée en trois campagnes expérimentales visant à étudier : les effets d’oscillation de l’assemblage dans un fluide au repos, les phénomènes de traînée sur les assemblages de combustible en régime permanent sous un écoulement et le comportement des oscillations des assemblages lorsqu’ils sont immergés dans un écoulement. Deux installations expérimentales sont utilisées : SBF (Shaking Bundle Facility) et Eudore. SBF accueille un assemblage fictif de pleine hauteur soumis à un écoulement axial sur une table vibrante. Grâce à des tech-niques optiques, le champ de vitesse du fluide et le mouvement de l’assemblage peu-vent être mesurés. L’installation Eudore utilise trois assemblages réduits en ligne, soumis à un écoulement axial, avec la possibilité d’appliquer une excitation sismique à l’ensemble de la section d’essai. L’instrumentation développée sur Eudore permet de mesurer les déplacements des assemblages, le champ de vitesse du fluide et les forces d’impact.

Les expériences réalisées sur Eudore sont simulées à l’aide d’un outil de calcul numérique développé au CEA, nommé FSCORE, basé sur une approche en milieu poreux. Cette approche permet d’accéder à un modèle de fluide équivalent et à un modèle de structure équivalent définis sur l’ensemble du domaine à partir de l’intégration spatiale d’équations locales. Les équations de mouvement du fluide équivalent et de la structure équivalente sont établies séparément, pour fournir un modèle couplé fluide-structure prenant en compte les contacts entre les assemblages.

A l’aide d’un modèle analytique, les résultats expérimentaux obtenus sur Eudore sont utilisés pour retrouver le coefficient de traînée présent dans FSCORE. Les résultats expérimentaux et numériques sont largement discutés et montrent un bon accord.

Mots clés : Interactions fluide-structure, Déformation de l’assemblage, Vibrations des assemblages, Keulegan-Carpenter, REP.

Nuclear fuel assemblies in Pressurized Water Reactor (PWR) core are immersed in an axial flow. This flow exerts a hydrodynamic load on the assemblies, and it is responsible for their coupling and vibrations. Furthermore, during an earthquake or a LOCA event (Loss Of Coolant Accident), fuel assemblies are subjected to strong oscillation ampli-tudes. The hydrodynamic load can deform the assemblies, generating assembly bow, while stronger oscillations, such in a seismic event, can be responsible for assemblies impacts. In order to ensure the reactor core integrity and safety, nuclear industries want to improve the phenomenological knowledge of fluid-structure interactions inside a PWR core. Thus, en- gineers need numerical models for mechanical behavior of fuel as-semblies and experimental campaigns to validate them and define their limits.

The study presented in this document is mainly divided in three experimental cam- paigns aim to investigate: the assembly oscillation effects in fluid at rest, the drag phe- nomena on steady state fuel assemblies under a flow and the assemblies oscillations behavior when immersed in a flow. Two experimental facilities are used: SBF (Shaking Bundle Fa- cility) and Eudore. SBF hosts one full-height surrogate assembly under axial flow on a vibrating table. By using optical technique, the velocity field of the fluid and assembly motion can be measured. Eudore facility uses three reduced assemblies in line, under axial flow with the possibility of applying seismic excitation to the entire test section. The in- strumentation developed on Eudore makes it possible to measure the displacements of the assemblies, velocity field of the fluid and the impact forces.

The experiments performed on Eudore are simulated with a numerical calculation tool developed at CEA, named FSCORE, based on a porous medium approach. This approach provides access to an equivalent fluid model and an equivalent structure model defined over the entire domain from the spatial integration of local equations. The equations of motion of the equivalent fluid and of the equivalent structure are established separate-ly, to provide a coupled model taking into account the contacts between assemblies.

With the help of an analytical model, the experimental results obtained on Eudore are used to retrieve the drag coefficient present in FSCORE. Experimental and numerical results are widely discussed and show good agreement.

Keywords: Fluid-structure interactions, Assembly bowing, Assemblies vibrations, Keulegan- Carpenter, PWR.