Experimental characterization of PWR fuel assemblies mechanical behavior under hydrodynamic and seismic-like loads
Caractérisation expérimentale du comportement mécanique des assemblages de combustible REP sous charges hydrodynamiques et sismiques
Résumé
Nuclear fuel assemblies in Pressurized Water Reactor (PWR) core are immersed in anaxial flow. This flow exerts a hydrodynamic load on the assemblies, and it is responsible fortheir coupling and vibrations. Furthermore, during an earthquake or a LOCA event (LossOf Coolant Accident), fuel assemblies are subjected to strong oscillation amplitudes. The hydrodynamic load can deform the assemblies, generating assembly bow, while strongeroscillations, 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 thephenomenological knowledge of fluid-structure interactions inside a PWR core. Thus, engineersneed numerical models for mechanical behavior of fuel assemblies and experimentalcampaigns to validate them and define their limits.The study presented in this document is mainly divided in three experimental campaignsand aim to investigate: the assembly oscillation effects in fluid at rest, the dragphenomena on steady state fuel assemblies under a flow and the assemblies oscillationsbehavior when immersed in a flow. Two experimental facilities are used: SBF (ShakingBundle Facility) and Eudore. SBF hosts one full-height surrogate assembly under axialflow on a vibrating table. By using optical technique, the velocity field of the fluid andassembly 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 instrumentation developed on Eudore makes it possible to measure the displacementsof the assemblies, velocity field of the fluid and the impact forces.The experiments performed on Eudore are simulated with a numerical calculation tooldeveloped at CEA, named FSCORE, based on a porous medium approach. This approachprovides access to an equivalent fluid model and an equivalent structure model defined overthe entire domain from the spatial integration of local equations. The equations of motionof the equivalent fluid and of the equivalent structure are established separately, to providea coupled model taking into account the contacts between assemblies.With the help of an analytical model, the experimental results obtained on Eudoreare used to retrieve the drag coefficient present in FSCORE. Experimental and numericalresults are widely discussed and show good agreement.
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 CoolantAccident), 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 connaissance 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 techniques optiques, le champ de vitesse du fluide et le mouvement de l’assemblage peuvent 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
Origine : Version validée par le jury (STAR)