Applications visées dans les secteurs de l’énergie et du transport

Applications visées dans les secteurs de l’énergie et du transport

Dans ce paragraphe, nous allons présenter les principales applications se situant dans la visée de ces travaux de recherche. Elles concernent l’énergie et plus particulièrement les moyens de production d’électricité, ainsi que le transport dans le domaine spatial.

Origine de l’électricité produite en France

La répartition en termes de sources d’énergie utilisées dans le cadre de la production électrique française est donnée en figure 1.6 pour la France métropolitaine en 2017.

Les différentes sources d’énergie utilisées peuvent être réunies sous deux principales catégories :
— les énergies carbonées, qui à l’utilisation de la centrale produisent du dioxyde de carbone : le thermique à flamme (gaz, charbon, fioul) et la biomasse -qui cependant peut être à bilan carbone nul-
— les énergies décarbonées : le nucléaire, l’hydraulique, l’éolien, le solaire, l’hydrolien ou encore la géothermie.

Le thermique à flamme (de nos jours à carburant essentiellement gaz en France) et l’hydraulique représentent chacun environ 10 % de la production annuelle d’électricité française. Le nucléaire, principale source d’énergie utilisée dans ce contexte, représente plus de 70% de l’électricité produite. L’association des autres énergies utilisées (éolien, solaire et bioénergies) représente les 10 % restants.

L’ensemble des industries associées à la production électrique met en jeu des turbomachines (éoliennes, pompes, turbines), mais c’est au secteur nucléaire, auquel sont associées d’exigeantes considérations de sûreté amenant à des études de comportements accidentels complexes et variés, que nous allons nous intéresser plus particulièrement à présent.

L’utilisation unique de cette technologie de réacteurs ne permet pas de fermer le cycle du combustible [CEA12]. Un des principaux thèmes de recherche en France consiste à travailler sur les technologies de réacteurs dits à neutrons rapides, par opposition aux REP qui fonctionnent avec des neutrons “lents” dits aussi “thermiques” (ie. peu énergétiques), dans le but de fermer le cycle.

Application dans les Réacteurs nucléaires à Neutrons Rapides à caloporteur sodium

Dans le cadre des projets français passés ou actuels de réacteurs de génération IV à neutrons rapides à caloporteur sodium (dits RNR-Na, [CEA12]), des études de transitoires accidentels sont menées. Des scénarii de catégorie 4 tels qu’un accident de grippage d’une pompe (blocage de la partie en rotation), ou un accident de rupture de tuyauterie LIaison POmpe-SOmmier (LIPOSO) située au refoulement de la pompe, sont étudiés.

L’échelle de classement des incidents et accidents nucléaires, appelée échelle INES, s’étend du niveau 0 pour un écart au fonctionnement normal n’induisant aucun problème de sûreté nucléaire au niveau 7 pour un accident majeur [Nuc13]. L’accident hypothétique de rupture de LIPOSO a par le passé fait l’objet d’un chapitre du rapport de sûreté autorisant la construction du réacteur Superphénix. Ces transitoires affectant les pompes primaires sont donc d’importance pour la filière RNR-Na.

Un réacteur de ce type est constitué de trois circuits distincts qui n’échangent pas de masse entre eux mais de l’énergie via des échangeurs de chaleur :

— l’échangeur intermédiaire (EI), numéroté 10 sur la figure 1.8, fait le lien entre les circuits primaire et secondaire
— l’échangeur sodium-gaz ou le générateur de vapeur (choisi en fonction du concept du circuit tertiaire) .

Enfin, l’énergie thermique ainsi transmise du circuit primaire au circuit tertiaire, est transformée en énergie mécanique au sein des turbines , puis en énergie électrique utilisable pour la population au niveau de l’alternateur .

On utilise un circuit intermédiaire en sodium (le circuit secondaire) dans les RNR-Na de ce concept afin d’éviter toute entrée de gaz ou d’eau éventuelle dans le circuit primaire en cas de fuite au niveau de l’échangeur. En comparaison, les réacteurs à eau pressurisée (technologie installée sur le parc français) ne possèdent que deux circuits principaux, en contact au niveau d’un générateur de vapeur.

En France, les transitoires thermohydrauliques dans les RNR-Na sont simulés avec le code à l’échelle système CATHARE. Le comportement des pompes au cours du transitoire a une influence sur la répartition des débits dans le circuit primaire, il est donc essentiel de travailler à leur bonne modélisation. Pour modéliser ces types de transitoires accidentels, il est nécessaire de connaître ou de pouvoir prédire les performances de hauteur et de couple d’une pompe, qui représentent respectivement la différence de pression entre l’entrée et la sortie de la pompe ramenée en mètres et l’énergie transmise au fluide.

Actuellement, la méthode employée pour mener à bien ces simulations consiste à renseigner des courbes de performance stationnaires adimensionnelles en données d’entrée du code CATHARE, dont le modèle ponctuel de pompe (dit 0D) va être chargé d’introduire les contributions de hauteur et de couple respectivement dans les équations de quantité de mouvement et d’énergie. Pendant un transitoire, ce modèle 0D de pompe utilise les lois de similitude des turbomachines pour calculer les performances de hauteur et de couple à partir de la vitesse de rotation et du débit instantané (équipe CATHARE [CAT08]).

C’est un modèle robuste, mais il ne peut pas être utilisé si les performances de la pompe n’ont pas encore été mesurées sur un prototype, et ne peut pas tenir compte des phénomènes transitoires qui affectent la forme des courbes de performance. De plus, la dégradation des performances observée en conditions d’écoulement diphasique peut, à ce jour, seulement être prise en compte dans le cas des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP). Cela est fait via une fonction de dégradation dépendante du taux de vide qualifiée spécifiquement pour cette application, associée à des courbes de performance dégradées à renseigner en données d’entrée (équipe CATHARE [CAT08]). Cette fonction de dégradation n’est pour le moment pas qualifiée pour d’autres types de réacteurs comme les Réacteurs à Neutrons Rapides à caloporteur sodium (RNR-Na) qui sont également étudiés dans le cadre du contexte énergétique français. Le processus de qualification d’une fonction de dégradation applicable aux RNR-Na est complexe et couteux, car il faut mener une campagne expérimentale permettant de balayer toute la gamme de taux de vide (de 0% à 100%) en fluide sodium.

Pour apporter une solution permettant de simuler des transitoires à l’échelle des réacteurs avec seulement une géométrie de pompe en donnée d’entrée pour ce composant (et pas de courbes de performance), un modèle de pompe rotodynamique prédictif, transitoire et discrétisé en une dimension a été développé au cours de cette thèse. Le modèle a d’abord été qualifié à l’échelle de la pompe (dite échelle composant) par comparaison à des données expérimentales existantes en régimes d’écoulement monophasique et diphasique, puis à l’échelle d’un système complet (boucle expérimentale) pour un transitoire de démarrage rapide de la pompe. Un exemple d’application du modèle est ensuite proposé dans un contexte d’étude de scénario accidentel sur un réacteur nucléaire de type RNR-Na.

Les travaux de modélisation entrepris dans le cadre de cette thèse peuvent aussi être appliqués dans le cadre des études menées sur les Réacteurs à Eau Pressurisée, notamment pour certaines séquences accidentelles comme l’Accident de Perte de Réfrigérant Primaire (APRP), ainsi que pour étudier le comportement des turbopompes de fusées dans le domaine de l’aérospatial. Ces applications sont présentées succinctement ci-après.

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Table des matières

1 Introduction
1.1 Organisation du mémoire
1.2 Contexte industriel et scientifique
1.3 Description d’une pompe rotodynamique
1.4 Applications visées dans les secteurs de l’énergie et du transport
1.4.1 Origine de l’électricité produite en France
1.4.2 Application dans les Réacteurs nucléaires à Neutrons Rapides à caloporteur sodium
1.4.3 Application dans les Réacteurs à Eau Pressurisée
1.4.4 Application dans les fusées
1.4.5 Bilan sur les intérêts industriels et scientifiques
1.4.6 Partenaires impliqués
1.5 Objectifs et méthode
1.5.1 Objectifs principaux
1.5.2 Méthode de travail
2 Etat de l’art
2.1 Introduction aux 4 quadrants de fonctionnement
2.2 Représentation des courbes de performance
2.2.1 Représentations en isovaleurs
2.2.2 Représentation en courbes homologues
2.2.3 Représentation par les paramètres de Suter
2.3 Phénomènes physiques intervenant dans une pompe rotodynamique
2.3.1 Accélération centrifuge
2.3.2 Accélération de Coriolis
2.3.3 Pertes
2.4 Echelles de modèles de pompe rotodynamique prédictifs existant dans la littérature
2.4.1 Modélisation entrée-sortie
2.4.2 Méthodes de type Through-Flow
2.4.3 Modélisation 3D locale de type Computational Flow Dynamics
2.5 Régimes permanents et régimes transitoires
2.6 Choix de modélisation fait dans le cadre de cette thèse
2.6.1 Echelle système et calculs temps réel
2.6.2 Utilisation des connaissances acquises en modélisation des écoulements
diphasiques transitoires
2.6.3 Principales caractéristiques du modèle développé dans le cadre de cette thèse
3 Modélisation unidimensionnelle d’une pompe rotodynamique suivant une ligne de courant
3.1 Modélisation unidimensionnelle de l’écoulement d’un fluide diphasique dans une conduite
3.1.1 Lois de conservation
3.1.2 Ligne de courant moyenne
3.1.3 Modèle bi-fluide discrétisé en une dimension résolu par le code CATHARE
3.2 Modélisation d’une pompe rotodynamique par une approche unidimensionnelle de l’écoulement
3.2.1 Représentation d’une pompe rotodynamique modélisée en 1D avec CATHARE3
3.2.2 Modélisation des conduites d’aspiration et de refoulement
3.2.3 Modélisation de la roue : le canal inter-aubes vu comme une conduite
3.2.4 Modélisation du diffuseur et de la volute
3.2.5 Jonctions parties fixes – parties mobiles : changement de repère
3.3 Vérification du modèle 1D par intégration des équations dans un cas idéal
3.3.1 Hypothèses et système d’équations 1D simplifié
3.3.2 Lien entre bilan d’énergie du modèle 1D et couple d’Euler
3.3.3 Lien entre bilan de quantité de mouvement du modèle 1D et hauteur d’Euler
3.4 Discrétisation des termes et résolution numérique
3.5 Gestion de la vitesse de rotation
3.5.1 Fourniture en donnée d’entrée
3.5.2 Calcul de la vitesse de rotation au cours du transitoire
3.5.3 Actions au cours d’un scénario transitoire
3.6 Bilan de la modélisation
3.6.1 Système d’équations final pour la roue
3.6.2 Système d’équations final pour le diffuseur et la volute
3.7 Perspectives d’amélioration de la modélisation
4 Vérification et qualification du modèle unidimensionnel de pompe à l’échelle composant
4.1 Principe et méthode
4.2 Base de qualification à l’échelle composant
4.3 Description des machines
4.3.1 Pompe centrifuge DERAP – Nq=12
4.3.2 Pompe centrifuge RRA – Nq=35
4.3.3 Compresseur centrifuge NASA-LSCC – Nq=47
4.3.4 Pompe centrifuge ME250315 – Nq=70
4.3.5 Pompe hélico-centrifuge EVA – Nq=100
4.3.6 Pompe hélico-centrifuge PP N4 – Nq=120
4.3.7 Synthèse de la base de qualification
4.4 Construction et présentation des jeux de données élémentaires
4.4.1 Conditions aux limites
4.4.2 Eléments modélisés, description géométrique et maillage
4.4.3 Pompe centrifuge DERAP – Nq=12
4.4.4 Pompe hélico-centrifuge PP N4 – Nq=120
4.5 Prédiction des performances idéales dans un but de vérification
4.5.1 Principe et méthode
4.5.2 Pompe centrifuge DERAP – Nq=12
4.5.3 Pompe centrifuge ME250315 – Nq=70
4.5.4 Pompe hélico-centrifuge EVA – Nq=100
4.5.5 Bilan et perspectives de l’étape vérification
4.6 Prédiction des performances réelles en régime monophasique
4.6.1 Principe et méthode
4.6.2 Pompe centrifuge DERAP – Nq=12
4.6.3 Pompe centrifuge ME250315 – Nq=70
4.6.4 Pompe hélico-centrifuge PP N4 – Nq=120
4.6.5 Pompe centrifuge RRA – Nq=35
4.6.6 Compresseur centrifuge NASA-LSCC – Nq=47
4.6.7 Pompe hélico-centrifuge EVA – Nq=100
4.6.8 Bilan et perspectives de l’étape prédiction des performances réelles en régime
monophasique
5 Conclusion

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