besoins et défis des mesures intrusives des très hautes ... · four plasma utilisé seul lors...
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Journée SFT du 29.6.2010
Besoins et défis des mesures intrusives des
très hautes températures pour l’étude de
bains convectifsChristophe Journeau, Clemente Parga, Nathalie Cassiaut-Louis, Lionel Ferry,
Pascal Fouquart, José Monerris, Abbaye Guiry, Pascal Piluso
Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies AlternativesCentre de Cadarache
Laboratoired’essais pour la Maîtrise des Accidents graves
Christophe Journeau et al. Journée SFT du 29.6.2010
Outline
• Contexte
• Présentation des essais VULCANOExemples de Mesures de Températures
• Gainages des Thermocouples et effets surla mesure
• Conclusions
Christophe Journeau et al. Journée SFT du 29.6.2010
Contexte• Même à de très hautes températures (2000-3000 K), la
réalisation d’essais exige des mesures de températures (relativement) précises.
• Capteurs de Température :Non-intrusifs
> Pyrometrie> ThermographieCapteurs à température ±±±± ambianteMesure seulement la température de surfaceNécessite des informations sur l’émissivitéLes données d’émissivité à Hautes temp. sont rares
(surtout pour des mélanges)Intrusifs
> Thermocouples> Sondes UltraSonores de Températures, etc.Compatibilité avec des bains réactifs, durée de vie, co ûts….
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Notre Application : Essais corium pour la Sûreté Nucléaire• Dans le cas hypothétique (< 10 -5/réacteur.an) d’un accident
grave de réacteur nucléaire, on appelle corium le mélange issu de la fusion du cœur et de son interaction avec les matériaux environnants.
• C’est un mélange à hautes températures (2000-3000 K ) principalement constitué d’oxydes (UO 2, ZrO2, béton fondu,…) et de métaux (Zr, acier).
• L’installation VULCANO est dédiée à des recherches expérimentales avec du corium prototypique ou des simu lants à hautes température (U remplacé par Hf).
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L’installation VULCANO 1. Les Fours
• Four à arc plasma pour le corium oxyde4-8 litres coulés 15-20 L fondus
• Trois fours inductifs de 1 litre pour la fusion et la surchauffe de l’acier.
Four Plasma utilisé seul lors d’essais avec un corium tout oxyde. Pour les essais avec corium oxyde + métal, on utilise tous les fours.
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L’installation VULCANO 2. Les sections d’essai
• Section d’essais en béton avec plus de 100 TC pour suivre l’ablation
• Cavité hémicylindrique (+ paroi en céramique réfractaire)
• Chauffage inductif du bain
• Spires non connectée pour concentrer le champ magnétique
• >90% de la chaleur généré dans la couche oxyde
(après stratification éventuelle)
Oxide
Metal
Bottom coil
Inductor
Concrete
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Matrice d’essais avec corium oxyde
56% UO2, 36%ZrO2, 4% SiO2, 1% CaO, 2% FeO.
56% UO2, 36%ZrO2, 4% SiO2, 1% CaO, 2% FeO.
54% UO2, 38% ZrO2, 4% SiO2, 1% CaO, 3% Fe2O3
40% UO2, 43% ZrO2, 7% SiO2, 2% CaO, 8% Fe2O3
Corium composition
2 hours
~2400°C
31 kg
FSilica
VB-U6
2h 40
~2200°C
54 kg
EPRFerro-siliceous
VB-U7
2 h 302 hoursTest Duration
~2400°C~2200°COxides Initial Temperature
28 kg45 kgEstimated Initial oxide mass
FSilica
GLimestone
Concrete
VB-U5VB-U4 Test
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Matrice d’essais oxyde + métal
~20 kW
4 hours
~1790°C
~2000°C
15 kg
36 kg
FSilica
VBS-U3
~20 kW
2 hours ?
~1790°C ?
~1800°C ?
15 kg?
?Lighter
oxide
FSilica
VBS-U4
~18 kW~30 kWAverage Injected Power Estimation
3 h 454 hoursTest Duration
~1710°C~1700°CMetal Initial Temperature
~2000°C~2000°COxides Initial Temperature
16 kg +7 kg
14 kgEstimated Initial metal mass
18 kg37 kgEstimated Initial oxide mass
FSilica
GLimestone
Concrete
VBS-U2 VBS-U1 Test
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Besoins de mesures de température
• Il ne s’agit pas d’essais dans un four isotherme !
• Bain soumis à une source de chaleur interne–Chauffage par induction simulant la Puissance radiologique résiduelle
• Différences de température bain-interface de quelques dizaines de K
• Très fort gradient de température dans la croûte supéri eure–Présence de cavités réduisant encore la température de surface
• Intervalle Solidus-Liquidus–Température liée à la fraction solide–Bains UO2-ZrO2, intervalle de solidification de l’ordre de 50 K
• Besoin de mesures intrusives–Température interface – Température Bain–Différence de température entre couches dans configuratoins stratifiéesoxydes métal–En pratique, on a plus besoin de mesures précises en différentiel qu’enabsolu (sauf pour relations avec diagramme de phase).
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Sondes intrusives W-3Re – soudure froide dans céramiqueTempérature du bain au début de la rampe de décrois sance de puissance ~ 2150°C
Perche de mesure plongée dans le bain
0
500
1000
1500
2000
2500
30 31 32 33 34 35 36
Temps relatif (secondes)
Tem
péra
ture
(°C
)
Palier à la température de liquidus ~ 2060°C
Température du bain ~ 2150°C
Collected sample
Melt pool surface
fumes
Probe
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Mesures TC W lors d’essais avec corium tout oxyde
VB-U7
0
500
1000
1500
2000
2500
11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30
Tem
pera
ture
°C
TCW1
TCW2
TCW3
TCW4
TCW5
TCW6
TCW7
TCW8
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Mesures TC W VBS-U1 Oxyde + acier
• Perte rapide du signal (attaque par l’acier fondu)
• Compatible avec visées pyros1800°C surface bain1930°C Température coulée (au bec)
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Mesure de la température de surface du bain lors d’éruptions
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VBS-U1 Ablation profiles VBS-U3
• For all three tests, the ablation was roughly isotropic
• A large dissymetry in azimuths has been observed in VBS-U3
Te
mperatu
re (°C)
Post test measurementsat various azimuths
From thermocouples (t=4h) From thermocouples (t=2h45)
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Défis résiduels TC W dans corium oxyde• Perturbation électromagnétiques dès que TCs dénudés à 2
potentiels différents.Mesures lors coupures brèves chauffage
• L’isolant est en fait un semi-conducteur à HT
• Perturbation de la mesure par le TCTC “épais” surgainage 3 mm
=> 300 K de moins que TC “fins” surgainage 1.25 mm
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Modélisation thermique d’un thermocouple
• Modélisation axisymétrique–1 fil équivalent ( 1 fil 0.15 mm, 2 fils: √2.r)–Isolant–Gaine Rext = 0.75 mm e=0.2 mm
• Contraste conductivités–Chromel : 19 W.m-1.K-1
–Alumel : 31 W.m-1.K-1
–Fil équivalent 25 W.m-1.K-1
–Magnésie en poudre : 0.84 W.m-1.K-1
–Inconel 600 : 14.8 W.m-1.K-1
• Modélisation prenant en compte la macro-constriction
–Régime permanent dans un gradient de température.
r
egaineR
isolantR
filequir
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Modélisation thermique d’un thermocouple (2)
totale
gainegaineisolantisolantfilsfilséqui
S
SSS λλλλ
++= 11..10 −−≅ mKWequiλ
gaineisolantrad RRR +=
)ln(2
1
filequiisolant
isolantr
er
lR
−=πλ
)ln(2
1
er
r
lR
gaine
gaine −=
πλ
rlhRrad π2
1= 21..1100 −−≈ mKWh
mymy BeAeyTy −+≈− )()(θ r
hm
λ2=avec
Résistance Thermique de contact et coefficient échange thermique
Considérons un thermocouple suivant une isothermeSoient θ et T les température dans le fil du TC et dans le béton
B = 0 car on thermalise après une longueur infinie….d’où
myeT
yTy −=−−
)0()0(
)()(
θθ
Il faut typiquement 13 mm pour obtenir une thermalisation à 99,4%
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Modélisation thermique d’un thermocouple (3)
x
Flux
0
Longueur de coudée l Béton
Thermocouple
Longueur dethermalisation
)1)(0()( uxTxT −=
)0()0( θ−=∆ T
[ ] 0)()(2)(
2
2
=−− xTxr
h
dx
xd θλ
θ
( ))()( xTxhdxpdx
dS
dx
dS
dxxx
−+−=−+
θθλθλ
On considère un champ linéaire de température dans le bétonOn cherche à déterminer l’erreur absolue de mesure sur la température du béton.
Pour ce faire effectuons le bilan de puissance, entre deux sections droites d’abscisse x et x+dx de la partie coudée. On a, la section droite S étant constante :
D’où l’équation de la distribution de la température dans la longueur de coudée l:
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Modélisation thermique d’un thermocouple (4)
• En prenant en compte la résistance de contact à la so udure chaude(estimée à 1900 K/W) et la résistance de constrictio n
• L’erreur de mesure ∆∆∆∆ est donnée par:
• le coefficient
correspond à la distance entre le point de mesure e t l’endroit où règne effectivement cette température. Il vaut dans ce ca s 2 mm.
1.2204
1 −≈= KWr
Rbéton
m λ
)0(
)2
(2
)2
()0()0( uT
lr
hth
r
hR
lr
hthR
T
λλ
λθ+
=−=∆
)2
(2
)2
(
lr
hth
r
hR
lr
hRth
λλ
λ
+
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Modélisation thermique d’un thermocouple (5)
• Erreur de mesure en fonction de la longueur de coudée et du gradient de température
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0,000 0,004 0,008 0,012 0,016 0,020 0,024 0,028
longueur de coudée (en m)
∆/T
(0)
(%
)gradient -38000K/m
gradient -45000K/m
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Mesures Intrusives par Pyrométrie (VNIIEF, Russie)
fiber
Refractory metal (Mo, Ta or W)
pyrometer
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• Mesures intrusives:Problème de gainage tenant à la fois aux oxydes et au métauxEffet perturbateur du capteur sur le champ de température
> Correspond à un décalage de plusieurs millimètres v ers la zone froide dans des gradients élevés (100 kW/m²~100 K/m m)
• Etalonnage- CalibrationDifficultés d’étalonnage à haute températures
> Incertitude supérieure aux écarts de température à considérer po ur nos application (Tliq-Tsol), (Tbain-Tinterf)….
Intérêt pour moyen d’intercalibrationPoints fixes de terrain (incertitude 5-10 K)
Conclusions