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THOR : modèles avancés de thermohydraulique

THOR est un modèle de dynamique des fluides biphasique, hors équilibre, pour les réseaux d’écoulement. CORYS propose THOR à l’industrie de la simulation pour modéliser des systèmes fluides complexes et multiphasiques avec des résultats de haute fidélité.

THOR est installé sur plus de simulateurs de centrales nucléaires que tout autre modèle thermohydraulique avancé.  Les modèles THOR ont fait l’objet d’une évaluation comparative approfondie dans plus de 80 installations dans le monde.  La fidélité et la robustesse des modèles THOR sont bien établies. Vous trouverez ci-dessous des comparaisons entre les modèles de simulation THOR et les données réelles de la centrale pour un événement de déclenchement de turbine à la centrale nucléaire de Browns Ferry.

Le modèle THOR est capable de simuler l’écoulement d’eau, de vapeur, de plusieurs gaz non condensables et de tout mélange de ces fluides. Les gaz non condensables peuvent être solubles dans l’eau. Les phases liquide et gazeuse peuvent contenir et transporter des composants à l’état de traces qui n’interagissent pas thermodynamiquement avec les fluides. Les tables de vapeur s’étendent jusqu’à la pression critique ; l’équation d’état pour les gaz non condensables est la loi des gaz parfaits. Les réactions chimiques entre les gaz non condensables sont autorisées.

En plus de la solution de base de la dynamique des fluides pour les réseaux d’écoulement, THOR contient un certain nombre de modèles spécialisés, qui sont exécutés en tant que partie intégrante de la simulation. Ces modèles sont destinés à : 

  • Pompes centrifuges et soufflantes
  • Vannes et clapets anti-retour
  • Pompes volumétriques constantes
  • Compresseurs
  • Combusteurs
  • Turbines à gaz
  • Turbines à vapeur
  • Echangeurs de chaleur, y compris les condenseurs et les chaudières
  • Déperdition de chaleur vers les murs
  • Filtres et polisseurs de condensats
  • Dessiccateurs
  • Recombineurs
  • Deminéralisateurs
  • Ejecteurs d’air à jet de vapeur
  • Instrument de niveau d’eau

Le système est divisé en volumes de contrôle (cellules) et en conduits. Les trajets d’écoulement relient les cellules. Les équations de conservation de l’écoulement unidimensionnel pour la masse de vapeur, d’eau, de gaz non condensables, de composants à l’état de traces, et l’énergie pour les composants gazeux et liquides, sont intégrées pour toutes les cellules. Les flux dans les trajets d’écoulement sont calculés à partir de l’équation de quantité de mouvement transitoire pour le mélange de fluides. Pour les systèmes biphasés, la vitesse relative entre les phases est évaluée à partir du modèle de flux de dérive.

Le modèle utilise les relations constitutives les mieux estimées pour le transfert de chaleur, le changement de phase, le flux de dérive, les débits massiques étouffés pour la vapeur/eau et la solubilité des gaz non condensables. En raison de l’exhaustivité des équations d’état, des relations constitutives et des équations de conservation, le modèle peut être utilisé pour simuler la plupart des problèmes pratiques de dynamique des fluides, y compris la dynamique des gaz compressibles impliquant des phénomènes d’ondes, d’étouffement et de combustion. Les courants convectifs naturels, induits par les différences de température, sont inhérents au modèle. Cependant, pour les connexions à un compartiment en cul-de-sac, il faut veiller à ce qu’un échange approprié de masse et d’énergie puisse avoir lieu. Ceci peut être accompli à la fois par des voies d’écoulement supplémentaires avec un débit correctement imposé, et en spécifiant la diffusion de la chaleur et des éléments traces entre les cellules.

Pour les réacteurs nucléaires, les modèles thermohydrauliques du simulateur sont valables tant que la géométrie externe du cœur du réacteur reste intacte. Les effets du ballonnement et de la désintégration des barres de combustible ne sont pas pris en compte. L’application du modèle est appropriée pour tous les systèmes de fluides que l’on trouve généralement dans l’industrie de la production d’énergie.  Cela inclut les systèmes d’alimentation en vapeur nucléaire, les systèmes d’équilibre de la centrale, les systèmes de support, les systèmes de chauffage et de ventilation des centrales nucléaires, ainsi que les systèmes de combustible, les turbines à gaz et les systèmes de vapeur des centrales électriques non nucléaires.

Les cellules sont des volumes de contrôle pour lesquels les équations de conservation sont intégrées. Les équations de conservation concernent la masse des fluides individuels, les composants des traces et l’énergie pour les phases liquide et gazeuse. Les cellules peuvent être regroupées en “régions”. Une région est un ensemble de cellules pour lesquelles la “pression de région” est utilisée pour évaluer les densités de fluide des cellules appartenant à la région. La pression de la région est calculée de telle sorte que toutes les équations de conservation soient satisfaites. La plupart des régions sont constituées d’une seule cellule, mais la possibilité de régions multi-cellules peut être utilisée avec avantage dans certaines situations.

Les cellules peuvent être reliées par des voies d’écoulement, qui sont des conduits pour le flux de masse et d’énergie des fluides et des composants de trace. Le débit volumétrique du mélange de fluides dans un chemin d’écoulement est évalué à partir de l’équation de quantité de mouvement transitoire. Les débits phasiques pour les phases liquide et gazeuse sont obtenus en appliquant le modèle de flux de dérive. Les débits massiques et énergétiques sont obtenus en utilisant une approche de cellule donneuse.

La solution numérique est une caractéristique unique et essentielle de THOR.  La méthode d’intégration numérique de THOR est la méthode explicite d’Euler. A chaque pas de temps, cette méthode d’intégration linéaire intègre les équations de conservation une par une. Elle offre le plus faible temps de calcul possible par pas de temps. De plus, les équations de conservation de la masse et de l’énergie sont écrites sous forme conservatrice, garantissant ainsi la conservation exacte de la masse et de l’énergie à l’échelle du système.

Les principaux avantages de la méthode d’intégration explicite THOR sont la simplicité du code, le court temps d’exécution par pas de temps et le fait que le temps d’exécution est proportionnel au nombre de volumes de contrôle dans le système simulé. (La plupart des simulateurs utilisent des méthodes d’intégration implicites pour lesquelles le temps d’intégration est plus long par pas de temps, et, au mieux, proportionnel au carré du nombre de volumes de contrôle).

Pour maintenir la stabilité numérique, la méthode explicite nécessite des pas de temps plus petits que les méthodes implicites. Mais en raison du temps d’exécution plus rapide des pas de temps, ce n’est pas un inconvénient. Le pas de temps d’intégration court, requis pour la stabilité numérique, a l’avantage de réduire l’erreur d’intégration numérique, qui est proportionnelle au pas de temps.

Étant donné que certains sous-systèmes peuvent nécessiter des pas de temps très courts pour la stabilité numérique (petites cellules connectées à de larges voies d’écoulement), le code THOR a la capacité d’exécuter ces sous-systèmes à un taux d’itération élevé. Ainsi, par exemple, si le taux d’itération du système est de 100 cps, certains sous-systèmes peuvent être intégrés à 200 ou même plus. Cette caractéristique permet d’économiser la puissance de l’ordinateur en évitant de devoir intégrer l’ensemble du système à un taux plus élevé.

  • Les équations de champ suivantes s’appliquent à THOR
  • Equation de conservation de la masse des gaz
  • Equation de conservation de la masse des liquides
  • Equation de la quantité de mouvement du mélange
  • Equations de conservation pour les composants gazeux à l’état de traces de bore, conductivité, iode, xénon et N16
  • Les corrélations constitutives suivantes s’appliquent à THOR
  • Corrélation d’ébullition sous refroidie
  • Coefficients de transfert de chaleur interfacial
  • Transfert thermique mural
  • Condensation par pulvérisation
  • Début critique
  • Les équations supplémentaires suivantes s’appliquent à THOR
  • Equation d’état des az parfaits pour les gaz non condensables 
  • La loi de Henry sur la solubilité des gaz non condensables
  • Corrélations pour la vitesse de solution/dissolution des gaz non condensables
  • Equations de désintégration des radio-isotopes dans le liquide de refroidissement
  • Source de N16 par activation neutronique
  • Création d’hydrogène et d’oxygène par radiolyse
  • Recombinaison de l’hydrogène et de l’oxygène
  • Propriétés de transport de l’eau et du gaz

Une évolution récente a été l’introduction des modèles THOR 3-G, qui se sont développés et maintenus à l’aide d’un environnement de modélisation graphique.  Cela a rendu les modèles THOR beaucoup plus faciles à développer et à maintenir pour les utilisateurs finaux.  Les outils THOR 3-G seront utilisés pour développer les modèles Bruce 7. Grâce à cet outil, les diagrammes nodaux sont dessinés, et tous les composants du modèle, les volumes et les chemins d’écoulement sont définis.  Une fois les dessins terminés, ils sont utilisés pour générer le modèle.

Le constructeur de modèles THOR 3-G génère :

  • Fichier d’interface d’entrée de THOR
  • Fichier ADD de la base de données du simulateur pour les variables THOR
  • Fichier d’initialisation pour les constantes THOR
  • Fichier d’initialisation des variables THOR pour créer la condition initiale

Les dessins peuvent alors servir de référentiel pour toutes les données utilisées pour développer le modèle.  Les modifications apportées aux données ou aux constantes du modèle sont suivies dans la base de données des dessins, ce qui permet de contrôler la configuration. Les dessins peuvent être visualisés en direct pendant l’exécution des modèles afin de fournir des données pour le développement et le dépannage.  Vous trouverez ci-dessous un dessin typique de THOR 3-G avec un menu de définition des données des composants.


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