Atelier GEDEPEON cogénération 8-9 septembre 2008, Odeillo CEA/DEN/DER
F. Bertrand, T. Germain, F. Bentivoglio, P. Aujollet, F. Bonnet, Q. Moyart, N. Alpy
(DER/SESI et DER/SSTH)
Utilisation non électrogène de la chaleur nucléaire,
approche de sûreté, études d’incidents et d’accidents et
implications pour la conception du couplage réacteur/procédé
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PLAN
Contexte
Contraintes liées au fonctionnement normal
Approche de sûreté proposée par le CEA
Etudes d’incidents et d’accidents internes
Etudes d’accidents externes (approche ARAMIS)
Approche proposée aux USA (cadre NGNP)
Retour sur la conception du système de couplage
Bilan et perspectives
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Contexte
Utilisation de la haute température du VHTR pour (entre 800°C et 1000°C)
levée des barrières thermodynamiques : procédés thermochimiquesaméliorer le rendement du système couplé (EHT)
Souplesse d’utilisation de la puissance délivrée par le VHTR ?
Un réacteur nucléaire doit a priori fonctionner en continu entreles arrêts pour rechargement
optimisation de la disponibilité du système couplé VHTR/procédé
limiter le nombre de transitoires de démarrage/arrêt
durée de vie du réacteur et contamination des circuits
limiter le nombre d’arrêts automatiques du réacteur dus au procédé
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Contraintes liées au fonctionnement normal
Haute température et haut débit : maîtrise des pertes thermiques(barrières thermodynamiques et cinétiques) et des pertes de charge (rendement)
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Contraintes liées au fonctionnement normal
Cogénération : optimisation du rendement
H2O hp He- N2
He
950°C
388°C
900°C
545°C
32°C 173°C
575°C
EHT sur O2
sur H2
évapo.
841°C
795°C
790°C
835°C
860°C
62%
54%
331°C 135°C
auxs.
– Outils d’optimisation pour hydrogène, procédés sidérurgie, pétrochimie et déssalement CYCLOP/COPERNIC
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Contraintes liées au fonctionnement normal
Flexibilité du partage de puissance entre le procédé à haute température et la production électrique
– Aubes du stator d’incidence variable – Contrôle d’inventaire– Cas du cycle indirect
O
POWER
QN
(1−α)×QN
α×QN
COGENERATION partage de puissance
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– Low flexibility : sharing available due to close compressor surge line (very preliminar : must be confirmed)
– Additional gas expansion required at turbine outlet → additional energy losses.
⇒ Seems not to be an ideal solution →investigation on inventory control
VARIABLE STATOR VANES CONTROL
Variable stator vanes
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O
PuisN
QN
(1−α)×QN α×QNα variable
O
PuisN
QN
(1−α)×QN α×QNα variable
OPuisN
QN
(1−α)×QN α×QNα variable
⇒ Incidence on cycle efficiency to be evaluated.
INVENTORY CONTROL
INVENTORY CONTROL → ηcycle ↓ :
• Turbine power ↓ proportionaly to pressure ↓whereas head losses pumping power has a slower ↓ with pressure.
• Turbomachinery efficiency ↓ because :
– Reynolds number ↓
– operating point is slightly modified (due to head losses) → blades incidence
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CASE OF INDIRECT CYCLE
• Primary circuit : Splitting of mass flow rate could be performed thanks to two circulators driven by variable speed motors.• Secondary circuit : classical inventory control.
He-N2
He
900°C
415°C
893°C 750°C
Cycle I/S
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Approche de sûreté proposée : synthèse des approches des installations nucléaire et de l’industrie conventionnelle
Approche pour les installations nucléairesSpecificités
Accumulation de produits de fission et puissance résiduelle à évacuerPetite constante de temps pour le contrôle de la réactivité
Solutions retenuesPrésence de barrières physiques sucessivesFonctions de sûreté principales assurant la protection des barrières (AAR pour contrôlerapide de la réactivité)Defense en profondeur (DeP) déployée en 5 niveaux
Prévention et les limitations des conséquences des incidents et accidents Approche dans l’industrie conventionnelle
CaractéristiquesDiversité des produits dagereuxDiversité des effets : dispersion de toxiques, onde de pression, flux thermique, missiles,…
Solutions retenuesPrésence d’au moins une barrière associée à des distances de sécuritéDétermination de ces distances reposant sur les calculs de scénarios d’accidentsmajeurs représentatifs retenus en fonction de leur probabilité et de leurs effets
Défence en profondeur implicitement utilisée dans cette approche
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Approche de proposée : synthèse des approches des installations nucléaire et de l’industrie conventionnelle
Fonctions de sûreté principales généralisées pour le système couplé
Contrôle de la réactivité nucléaire et chimiqueEvacuation de la puissance nucléaire, de la puissance thermique (chaleur
libérée par les réactions chimiques, changement de phases) et de la puissance mécanique (compresseurs, pompes, ondes de pression résultant de changement de phase, de fermeture de vannes ou de réactions chimiques)
Confinement des produits dangereux : produits de fission et produitschimiques
Principe de défense en profondeur (DeP)
Déploiement hiérarchisé de différents niveaux d’équipements et de procédures visant àmaintenir l’efficacité de barrières physiques
Si les dispositions prévues à un niveau sont mises en défaut, le niveau suivantintervient
Les niveaux sont aussi indépendants entre eux que possible
L’objectif général est d’éviter qu’une défaillance ou combinaison de défaillancessollicitant un niveau se propage aux autres niveaux et compromettent leur efficacité
EvitersollicitationsexcessivesbarrièresProtection des barrières
les
des
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Niveau 1 de la DeP : maintien de l’installation couplée dans son domaine de fonctionnement normal conception et fonctionnement
respect des règles de conception adaptées aux spécificités des différents produits et des différents états de l’installation
dimensionnement en P et T comportant des marges de sécurité
corrosion par H2SO4 + HI (cycle IS)
fragilisation par diffusion de l’hydrogène dans les métaux ou par les basses températures (stockage)
barrières propres à réduire la diffusion du tritium
fonctionnement nominal et transitoires normaux d’exploitation à définir pour chaque unité et pour le système couplé
• à préciser en fonction des options systèmes et technologiques qui seront retenues (système entièrement dédié n x H2 ou co-génération chaleur et/ou électricité, procédures d’arrêt et de démarrage, îlotage)
• gestion des flux neutroniques, thermiques et chimiques adaptés aux différents transitoires et situations envisageables afin de ne pas générer d’incidents (critères d’arrêt du VHTR, source froide, réactifs)
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Niveau 1 de la DeP : maintien de l’installation couplée dans son domaine de fonctionnement normal sollicitations via le couplage
Usine H2
gaz «chaud» (P, T, Q)
Tritium
UtilisationH2
gaz «froid » (P, T, Q) IHX
- Caractéristiques gaz chaud compatibles avec le fonctionnement normal H2 :Stabilité et robustesse du procédé IS en cas de variation de (P,T,Q) Evaluation des plages de variation de ces paramètres (données réacteur)
- Caractéristiques gaz froid compatibles avec le fonctionnement du VHTR : Stabilité VHTR en cas de variations de (P,T,Q) Evaluation des plages de variation de ces paramètres (données usine)
Solution technologique proposée et validée par JAEA (HTTR-SR)
- Gestion tritium compatible avec réglementation (exposition chronique et rejets autorisés etcontraintes de qualité H2) :
Impact du tritium sur le procédé IS, étanchéité entre circuits (tritium et H2)Evaluation de l’activation de l’H2 par le tritium et compatibilité avec les contraintes du produit du procédé
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Niveau 2 de la DeP : maîtrise des écarts au fonctionnement normal
Objectif
Eviter qu’une sortie du domaine de fonctionnementnormal d’une installation se propage à l’autre et qu’unincident dégénère en accident
Solutions envisagéesSimulation du système couplé pour évaluer sa dynamiquePuis conception appropriée du contrôle commande et des
systèmes de protection (signaux pertinents et seuils bien calibrés)La technologie des vannes reste à étudier (débit, température)
l’AAR du réacteur doit être évité
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Utiliser la modularité du procédé lorsque cela est possible
Initiating events
Increasing severity
Level 2 of DID
Level 3 of DID
Initial state
-Abnormal operation in H2 unit n1 And/or abnormal operation in H2 unit n2 …………
-Abnormal operation in HYPP and/or VHTR - failed H2 unit uncoupled
- Abnormal operation in VHTR and HYPP - uncoupled VHTR-HYPP
Uncoupling of H2 unit(s) out of normal operation domain
control of abnormal operation by means of regulating system
- Overall uncoupling of HYPP - normal shut down of HYPP
- Normal shut down of VHTR - normal shut down of HYPP if possible
Final state
Normal operation of coupled VHTR-HYPP
- Normal VHTR operation with small power redistribution - Reduced load HYPP operation - partially uncoupled VHTR-HYPP until repairs of H2 unit
Sub-level 1
Sub-level 2
Sub-level 3
Provisions Provisions
success
failure
failure
success
- Normal operation of VHTR with large power redistribution - HYPP stopped until repairs - uncoupled VHTR-HYPP
success
failure
success
failure
- VHTR stopped - HYPP stopped - uncoupled VHTR-HYPP - protection system have not been triggered
Niveau 2 de la DeP : maîtrise des écarts au fonctionnement normal
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Niveau 3 : Contrôle des accidents et limitation de leurs consequences
Objectifs (par principe, ici on suppose que les niveaux 1 et 2 sont mis en défaut et que des accidents surviennent)
contrôle des accidentsrepli vers un état sûr (fonctions de sûreté remplies durablement) découplage des installations
Fonctions de sûretéReactivité chimique et nucléaire
AAR du VHTR
Arrêt d’urgence du procédé (coupure de l’alimentation des réacteurs + inertage)
Evacuation de puissance
Evacuation passive de la puissance résiduelle du VHTREvents et refroidissement en cas d’emballement de réaction
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Fonctions de sûreté
Fonction confinement
protection contre les aggressions externesconfinement dynamique et doubles paroisprocédure d’isolement des parties rompues des circuits
Rôle particulier du système de couplage
joue un rôle de barrière physique entre les installations couplées(paroi de l’IHX et vannes de couplage/découplage)
a un impact sur la reactivité et l’évacuation de puissance
Il doit être d’une grande fiabilité (redondances et diversification)
Niveau 3 : Contrôle des accidents et limitation de leurs consequences
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Niveau 4 : Contrôle des accidents graves et limitations de leurs conséquences
Objectifs
Des dispositions doivent être prévues pour tenir compte d’hypothétiquesaccidents graves, en particulier concernant l’intégrité ou le by-pass de la dernière barrière : enceinte du VHTR, enveloppe de tuyauteries et distances de sécurité (protection du VHTR et de l’environnement)
VHTR containment
Core IHX1 IHX2
H2 Unit 1
H2 Unit 2
H2 Unit 5
H2 Unit 3
H2 Unit 4
1000°C
400°C
C B B’B
A
Hazardous releases, Impact on containment
O2 leak
Niveau 4 : Contrôle des accidents graves et limitations de leurs conséquences
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Etudes à réaliser pour la mise en oeuvre de dispositions de sûreté: approche ARAMIS développée dans le cadre européen (INERIS)
Etudes des conséquences d’accidents graves et effets des moyens de mitigation envisageables évaluation du couple probabilités/conséquences (risque)
Dispositions envisageablesReduction des sources d’ignitionAbsence de confinement et d’encombrement renforçant les effets des explosionsSystèmes d’inertage
Dimensionnement de l’enceinte du VHTR aux ondes de pression externes et internes
Système d’évents, barrière physique entre le VHTR et HYPP (deflecteurs, distance, etc)Construction souterraine du VHTR, système de couplage, usine ?
Niveau 5 réponses hors site
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Transitoires normaux d’exploitation (démarrage/arrêt, variation de charge, couplage découplage normal) non prioritaire
Permettra notamment de concevoir le circuit de by-pass vers la source froide, le système de couplage/découplage normal, la procédure de démarrage/arrêt normaux, réalisation de suivi de charge
IncidentsComportement dynamique à simuler pour évaluer le comportement global de HYPP/VHTR en cas de perturbation transmise via le couplage
Permettra notamment d’évaluer la nécessité d’un tampon thermique Permettra de définir les limites du domaine incidentel et les parades propres à ramener l’installation couplée dans son domaine de fonctionnement normal
Accidents de 2 types : internes et externes1- de nature à perturber les transferts de masse et d’énergie entre VHTR et HYPP et à menacer l’intégrité des barrières du système de couplage et à éventuellement induire le transfert de produits d’une installation vers l’autre2 - assimilables à des agressions externes (effets domino)
1- Permettra de définir les systèmes de sûreté (découplage d’urgence, inertage de HYPP, seuils de détection/déclenchement)
2 - Permettra de dimensionner l’enceinte du VHTR, les distances de sécurité et autres dispositions de protection contre les effets domino
Application de la démarche à la sûreté du couplage VHTR/HYPP (cycle IS)
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Incidents (niveau 2) perturbations transmises via le couplageArrêt intempestif de HYPP (transitoire d’îlotage sur la source froide)Arrêt intempestif de 2 unités de HYPP (DCC ou mode commun)Démarrage intempestif de 2 unités de HYPPTransitoire d’AU du VHTR (référence pour les états post-accidentels)
Accidents (niveau 3)Rupture de la tuyauterie du circuit de couplage située entre l’étage moyenne et très haute température Enveloppe des brèches secondaires
Perte refroidissement immédiate par HYPPRupture de tuyauterie du circuit de couplage dans l’enceinte du VHTR induisant une rupture de d’étanchéité chaud/froid (1 et 10 tubes) dans l’étage à très haute température
Représentatif d’une rupture de barrières entre HYPP et VHTRAccidents graves (niveau 4)
Combustion d’un nuage air/hydrogène dans l’usine induisant un transitoire d’arrêt automatique du VHTR avec défaillance du RCCS
Agression externe induite par HYPP (démarche ARAMIS)Rupture atmosphérique de tuyauterie du circuit de couplage avec brèche induite et terme source de produits de HYPP
Rupture de barrières entre HYPP/couplage/atmosphère
Application de la démarche à la sûreté du couplage VHTR/HYPP (cycle IS)
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Etudes de transitoires dédiés à la sûreté du couplage
Transitoires usuels du VHTR “stand-alone” non traités (traités par ailleurs)Transitoires relevant du niveau 2 à 4 de la DeP généralisée à VHTR/HYPP
pour chaque famille d’événements initiateurs (EI) un transitoire enveloppe a été retenu (hypothèses “raisonnablement” conservatives)pas d’hypothèse concernant les conservatismes usuels dont il faudra tenir
compte dans une analyse plus aboutie (délai de détection, état initial,etc)
Pour chaque EI, le comportement naturel du système a été évalué
Simulation de protections permettant de contrôler l’accident vis-à-vis de critères d’acceptabilité simplifiés
Température maximale du combustible (1600°C)Température maximale de la cuve (600°C)Stabilité et contrôle long terme de l’état post-accidentelAutres critères à définir (chargement enceinte, échangeurs,…)
Implications pour la sûreté et la conception du système de couplage
Eléments concernant la sélection des transitoires et la démarcheutilisée pour les études d’incidents et d’accidents internes
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Modélisation Cathare du VHTR 100% dédié H2
Schéma du système VHTR/HYPP
Enceinteréacteur
Ilôt nucléaire Zone procédé
Enceinteréacteur
Ilôt nucléaire Zone procédé
Bâtiment
des
Auxiiaires
SO3,SO2,H2SO4, H2O
SO2,SO3,H2SO4,H2O,O2
Circuit intermédiaireTampon
thermique
Radiateur atmosphérique
Étage très haute
température
RDE
Échangeur
Moyenne temp.
Enceinteréacteur
Ilôt nucléaire Zone procédé
Enceinteréacteur
Ilôt nucléaire Zone procédé
Bâtiment
des
Auxiiaires
SO3,SO2,H2SO4, H2O
SO2,SO3,H2SO4,H2O,O2
Circuit intermédiaireTampon
thermique
Radiateur atmosphérique
Étage très haute
température
RDE
Échangeur
Moyenne temp.
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Modélisation Cathare du VHTR 100% dédié H2
Rappels succincts sur le code CATHARE
2-fluid 6-equation model:
the physical models describe the behavior from one phase liquid (water) to one-phase gaz (vapor or non condensable gaz)
3 equations per phase : energy, mass, momentum
6 principal variables : P, Hl, Hg, α, vl, vg
+ Xi (i=1, 4) non condensable mass fraction in gas phase (with related transport equations)
⇒ In single phase gas flow, the 3 liquid equations are conditioned so that (under option):
α= αmax =1-10-6, Tl=Tsat, Vl=Vg
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Modélisation Cathare du VHTR 100% dédié H2
Schéma du circuit Cathare
VOLSCS
UPPERPLE
LOWERPLE
UPCOM1
UPCOM2
VESS
AXC04 AXAC
AXACHAXAG
AXL1X
HOTDUCT
COLDUCT
VESSVLV
POMPE
VOLIHX2
VOLIHX1
VOLIHX3
VOLIHX4
KOALA
IHXCH1 IHXFR1
POMPE 2
TUYAU1
TUYAU2B
VOL7HM
VOL8HM
XHMT1 XHMT5 XHMT29
HM1CH
HM5CH
HM29CH HM1FR
HM5FR
VOL12HM
VOL11HM
HM29FR
TUYAU6
TUYAU7
VOL5CI
VOL6CI
XC1 XC5 XC29
XC1CH
XC5CH
XC29CH XC1FR
XC5FR
VOL10CI
VOL9CI
XC29FR
TUYAU4
TUYAU5
TUYAU2CTUYAU2
VOL17
VOL18
TUYAU3B
TUYAU3
BYPASS
VOLHE1
VOLHE2
TUYAU1B
WTY1B
VL14ECHE
ECHAHE
VL13ECHE
TUYAU8
TUYAU9
VL15ECHW
VL16ECHW
ECHAW
TUYAU11
TUYAU10
ECHAHEW
CL1
CLFR1HMI
CLFR2HMI
CLFR1XCI
CLFR2XCI
CL2
Volume 0D Axial 1D Soufflante Echangeur Vanne Mur
Conditions aux limites
Total : 2197 mailles
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Modélisation Cathare du VHTR 100% dédié H2
Modélisation globale basée sur le VHTR Antarès coté nucléaire et sur les travaux CEA coté circuits intermédiaires
o Echangeurs type PCHE (Heatrics)
o Circulateurs issus du RNR-G 2400
o Modélisation produits chimiques coté I/S : gaz parfait avec Cp, viscosité et conductivités équivalents
Hauteur réduite de la soufflante primaire
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4
Débit réduit
Hau
teur
rédu
ite
n* = 1
n* = 0.5
n* = 0.75
n* = 0.25
n* = 0.1
n* = 0.01
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Modélisation Cathare du VHTR 100% dédié H2
Modélisation du coeur
Coolant channels
Bypass flows
L1 L2XC4 AC03
o Transfert entre les différentes parties du cœur par conduction et rayonnement o Conduction axiale prise en compteo Modèle neutronique ponctuel
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Modélisation Cathare du VHTR 100% dédié H2
Calcul état nominal :
Respect des pressions, débits et températures de sortie cœur et sortie procédé H2
P = 46.06 bT = 441.4°C
CL1
CLFR1HMI
CLFR2HMI
CLFR1XCI
CLFR2XCI
CL2
P = 46.88 bT = 447.1°C
P = 46.52 bT = 936.0°C
P = 46.46 bT = 936.5°C
P = 46.06 bT = 442.7°C
Q = 235.6 kg/s
P = 24.69bT = 407.0°C
P = 26.46 bT = 415.7°C
P = 26.46 bT = 415.7°C
P = 26.20 bT = 909.5°C
P = 604 MW
P = 25.54 bT = 908.9°C
P = 25.27bT = 790.5°C
P = 72.6 MW
Q = 235.6 kg/s
Q = 118.1 kg/s
Q = 117.5 kg/s
P = 24.86bT = 850.1°C
P = 24.86 bT = 850.1°C
P = 24.79 bT = 410.9°C
P = 537.3 MW
P = 25.61bT = 909.2°C
P = 25.20bT = 850.1°C
P = 24.79bT = 407.1°C
P = 24.33bT = 410.9°C
P = 7.44bT = 770.1°C
P = 7.25bT = 867.1°C
P = 7.53bT = 767.0°C
P = 7.00bT = 861.6.0°C
Q = 235.6kg/s
P = 27.30bT = 383.2°C
P = 27.28bT = 822.4°C
Q = 125.9 kg/s
P = 27.35bT = 383.0°C
P = 27.00bT = 822.4°C
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Transitoire non régulé : comportement naturel
L’étage haute température se fermantprive de réactifs l’étage moyenne température
Le décalage de fermeture a été pris encompte forfaitairement pour cette étudepréliminaire
Etudes d’incidents : arrêt intempestif de 2 unités de HYPP (1/3)
Baisse de puissance par échauffement du graphite et du combustible
Critère d’acceptabilité a priori non remplis àterme vis à vis des risques de fluage accrûs par l’augmentation de la température de l’hélium dans la branche froide
Stabilisation de la puissance du VHTR en deçade sa valeur nominale
Power in the 2 stopped units of HYPP
0,00E+00
1,00E+07
2,00E+07
3,00E+07
4,00E+07
5,00E+07
6,00E+07
0,00E+00 5,00E+01 1,00E+02 1,50E+02 2,00E+02
Time (s)
Pow
er (W
)
0,00E+00
1,00E+06
2,00E+06
3,00E+06
4,00E+06
5,00E+06
6,00E+06
7,00E+06
8,00E+06
Pow
er (W
)
Power_high_medium_temperature
Power_very_high_temperature
Core power and primary and secondary temperature histories
400
500
600
700
800
900
1000
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Time (s)
T (°
C)
520
530
540
550
560
570
580
590
600
610
P(M
W)
Thot_leg
Tcold_leg
Tcold_inlet_IHX
Core_power
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PID Déviation d’Hélium dans l’échangeur à eau : stabilité entrée coeur
T° Vanne
Mesure Action
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Contrôle de la température à la sortie de l’échangeur à eau : adaptation source froide
Débit
Action
Mesure
T°
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PID Contournement HMT : garantit le fonctionnement des étages HMT intacts
T°Vanne
MesureAction
PID Contournement XC : garantit fonctionnement des étages THT intacts
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T°Vanne
MesureAction
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Transitoire régulé d’arrêt/redémarrage de 2 unités (2/3)
Bilan de puissance
0
100
200
300
400
500
600
700
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000Temps (s)
Puis
sanc
e (M
W)
PCOREPWECHAHEPTOTXCICPTOTHMIC
Puissance du réacteurPuissance déviée vers l'échangeur à eauPuissance consommée à haute températurePuissance consommée à moyenne température
Fermeture de 2 unités Réouverture des 2 unités
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Transitoire régulé d’arrêt/redémarrage de 2 unités (3/3)
Comportement d'une unité en fonctionnement - XC
80
90
100
110
120
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000Temps (s)
Tem
péra
ture
(°C
)
4
5
6
7
8
Puis
sanc
e (M
W)
DeltaT FR (procédé)POWXC1FR
DeltaT FR nominal 94,6
POWXC1FR nominale 7,25
DeltaT aux bornes de l'échangeurPuissance échangée
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Etudes d’accidents : rupture de tuyauterie secondaire/rupture de tuyauterieéchangeur procédé (1/2)
Séquence
Brèche secondaire dans l’enceinte du VHTR contenant de l’air
à Psecon = 20 bars : scram + arrêt circulateurs
à Psecon = 6 bars : rupture de tubes chaud/froid dans l’échangeur très haute température du procédé
Retour sûreté et conception : évaluer le transfert éventuel des produits entre HYPP et VHTR et les performances requises pour les vannes de découplage
Atelier GEDEPEON cogénération 8-9 septembre 2008, Odeillo CEA/DEN/DER
Rupture de tuyauterie secondaire/rupture de tuyauterie échangeur procédé (2/2)
Rupture forfaitaire de 10 tubes des échangeurs à très haute température induite par une brèche secondaire dans l’enceinte du VHTR
En situation réelle, les pompes et les réactions côté procédé seraient stoppées
sans aucune action la LII du mélange H2 air pourrait être atteinte dans l’enceinte du VHTR (hypothèse très conservatives) en 13 mn
Les systèmes de protection ont le temps d’agir
Quid du chargement de l’enceinte (P,T) en particulier pour le schéma de couplage à 47 bars
Containment transient
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Time (s)
Bre
ak_f
low
_rat
e (k
g/s)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Mas
s_va
riatio
n (k
g)
Break_Flow_rateGas_mass_variation_containment
Pressure History
0,00E+00
5,00E+05
1,00E+06
1,50E+06
2,00E+06
2,50E+06
3,00E+06
0 500 1000 1500 2000 2500 3000Time (s)
Pres
sure
(Pa)
Secondary_circuit_pressureProcess_pressureContainment_pressure
Mass fraction of gases in containment
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Time (s)
Mas
s fr
actio
n
Air_fraction
Process_gas_fraction
Helium_fraction
Atelier GEDEPEON cogénération 8-9 septembre 2008, Odeillo CEA/DEN/DER
Etudes d’accidents : étude d’une grosse brèche secondaire suivie du découplage rapide des installations
Données du problème
Une brèche de la section de la plus grosse tuyauterie provoque la vidange de tout le circuit de couplage en moins de 3 s.
La fermeture rapide des vannes d’isolement est essentielle en cas de brèche induite pour éviter le rejet de produits du procédé
surpression attendue et effets dynamiques ?
Objectifs
Confrontation CATHARE/calculs analytiques (maillage, pas de temps, écoulement supersonique)Compromis à trouver entre chargement des tuyauteries et découplage rapide
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Zoom sur la zone du système étudiée
TUYAU2
Vanne : VANTUY2Brèche
8 m
10 m
180 m
Mise en place d’une brèche et d’une vanne
Inversion du débit d’hélium due à la brèche
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Modélisation analytique du problème
Vf = vitesse du fluide et Vonde = vitesse de l’onde
La composition des vitesses donne :
soit en valeur absolue U = Vf + Vonde et u = Vf
Onde de choc
P0 ρ0 T0
P1 ρ1 T1
U-u U
Brèche
Vanne Onde
de choc
Vf
Vonde
P0 ρ0 T0
P1 ρ1 T1
ondef VVU −=
Repère lié au tuyau Repère lié à l’onde
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Théorie de Rankine-Hugoniot
Nombre de Mach :
Vitesse du son dans le milieu 1 :
Rapport des pressions :
avec :
Ainsi que :
1aUM =
1
11 ρ
γPa =
µµ −+= )1(2
1
0 MPP
)1()1(
+−
=γγµ
)1)(1(1 M
Mau
−−= µ
Onde de choc
P0 ρ0 T0
P1 ρ1 T1
U-u U
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Evolution temporelle de pression
PressionTuyau2, abscisse = 10,5 m
12
14
16
18
20
22
24
26
39,9 40,1 40,3 40,5 40,7 40,9 41,1 41,3
Temps (s)
Pres
sion
(bar
)
PTUY2 (bar) Pic de pression : [PTUY2 + rho·Vf·(Vf+Vonde)](40,05s) (bar)
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Etudes des accidents graves externes : étude des dangers de HYPP (application au cycle IS)
VHTR
1. Sélection des scénarios (méthodologie ARAMIS)2. Modélisation des termes sources3. Modélisation de la dispersion atmosphérique (H2 et SO2)4. Modélisation de la combustion d’un nuage d’hydrogène5. Évaluation des effets de l’explosion sur l’enceinte du
réacteur
Atelier GEDEPEON cogénération 8-9 septembre 2008, Odeillo CEA/DEN/DER
ETUDE DES DANGERS DE HYPP (1/19)
Sélection des scénarios (méthodologie ARAMIS : projet européen, INERIS)
Identification des équipements à risques (en fonction de la masse de produits dans l’équipement, du type d’équipement et des risques associés aux produits)
Elaboration des scénarios possibles à l’aide de matrices croisant ces différents paramètres
Sélection des scénarios de référence (en fonction de la gravité de l’accident final et de la probabilitéd’occurrence de celui ci)
Brèc
he
rése
rvoi
rBr
èche
ca
nalis
atio
nR
uptu
re
rése
rvoi
r
Scénarios sélectionnés :
explosion d’un nuage gazeux d’hydrogène
émission d’un nuage toxique de dioxyde de soufre
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ETUDE DES DANGERS DE HYPP (2/19)
Modélisations des termes sources
Débit à travers une brèche de surface Sb:
( )( )
ψγ
γγ
γγ
γγ
121
0
1
12
12 −
+−
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
⋅⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
⋅⋅=RTMPSCtQ atmB
1=ψ
( ) ( )1111
21
121
−+−
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +
−⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
γγ
γγ
γ γγ
ψtP
PtP
P aa
En régime critique
En régime subsonique
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ETUDE DES DANGERS DE HYPP (3/19)
Modélisations des termes sources
P302
H2O vers section I
I2 vers section I
H2
HIx + H2O de section I
301c
302b
303302a
304a 304b
305a
305b
306
307a
E301
E302
D301
E305
E304
E301F301
F302
E303
310
D302
H2O à traiter
311a
313b
309b
301a
P301
PAC301
E305
309a
E309 Eau 314
315a
312
308a
T301C301
307bE306
311c
E308
301b
Eau
315b
317
318d
318a
318b
318c
308b
E307
E307316b
313a
P303
304c
311b
316a316b
P302
H2O vers section I
I2 vers section I
H2
HIx + H2O de section I
301c
302b
303302a
304a 304b
305a
305b
306
307a
E301
E302
D301
E305
E304
E301F301F301
F302
E303
310
D302
H2O à traiter
311a
313b
309b
301a
P301
PAC301
E305
309a
E309 EauEau 314
315a
312
308a
T301C301
307bE306
311c
E308
301b
EauEau
315b
317
318d
318a
318b
318c
308b
E307
E307316b
313a
P303
304c
311b
316a316b
Cas de l’hydrogène
Atelier GEDEPEON cogénération 8-9 septembre 2008, Odeillo CEA/DEN/DER
ETUDE DES DANGERS DE HYPP (4/19)
Modélisations des termes sources
Cas du dioxyde de soufreHypothèse: lors d’une fuite au niveau de l’échangeur E102, les compresseurs maintiennent le circuit sous pression en amont
Brèche de 5 cm débit de fuite moyen de 6.4 kg/s (= débit nominal) pendant 10 minutes
F101
F102
101
E101
102103
104
C101 T101
105
106
107
E102
108
109
R101
110 111
112
113
114
115116117
120
127
125
118
130
131
128
132
H2SO4vers section II
I2de section IIISO2 + O2
De section II
H2O de section IIO2
P102
P103
E103
D101
D102
D103
T102 C102
122b126
133
119
H2O de section IIIE104
E105
123
124
E103 E104
121a
129
122a
121c
121b
121d
P101
F101F101
F102F102
101
E101
102103
104
C101 T101C101 T101
105
106
107
E102
108
109
R101
110 111
112
113
114
115116117
120
127
125
118
130
131
128
132
H2SO4vers section II
I2de section IIISO2 + O2
De section II
H2O de section IIO2
P102
P103
E103
D101
D102
D103
T102 C102T102 C102
122b126
133
119
H2O de section IIIE104
E105
123
124
E103 E104
121a
129
122a
121c
121b
121d
P101
Atelier GEDEPEON cogénération 8-9 septembre 2008, Odeillo CEA/DEN/DER
ETUDE DES DANGERS DE HYPP (5/19)
Modélisation de la dispersion atmosphérique
Dispersion par jet turbulent (modèle de Chen et Rodi) uniquement pour le H2 sous haute pression pour des rejets à forte quantité de mouvement initiale
Dispersion passive (utilisation des corrélations de Doury en réduisant les diverses conditions atmosphériques à deux classes de stabilité: diffusion faible (2m/s) et diffusion normale (5m/s))
Émission continueObtention d’un panache
Émission instantanéeObtention d’un nuage sphérique
( ) ( )⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ −+
−−
=⋅=2
20
2
20
21
2),,( zy
zzyy
zyx e
uQCTAQtzyC σσ
σσπ
( )
( ) ( ) ( )⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ −+
−+
−−−
=2
02
20
2
20
21
23
2
zyx
zzyyutxx
zyx
eMCσσσ
σσσπ
Atelier GEDEPEON cogénération 8-9 septembre 2008, Odeillo CEA/DEN/DER
ETUDE DES DANGERS DE HYPP (6/19)
Diff
usio
n no
rmal
eD
iffus
ion
faib
leModélisation de la dispersion atmosphérique : cas du SO2
Atelier GEDEPEON cogénération 8-9 septembre 2008, Odeillo CEA/DEN/DER
ETUDE DES DANGERS DE HYPP (7/19)
Émission instantanée
Modélisation de la dispersion atmosphérique : cas du H2
M, V, E, Cmoy en fonction de la position du nuage
Émission continueZone de jet: modèle de Chen et Rodi
Zone passive: modèle de dispersion passive
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ETUDE DES DANGERS DE HYPP (8/19)
Modélisation de la combustion du nuage d’hydrogène
L’explosion d’un nuage gazeux est la propagation d’un front de flamme où a lieu la réaction de combustion
Deux régimes d’explosion possibles :La déflagrationLa détonation
La sévérité (pression et impulsion) de l’explosion dépend de la vitesse de propagation du front de flamme qui est fonction elle même de:
La nature du gazL’énergie d’inflammation du mélangeLa turbulence due :
• à l’encombrement du site• au gradient de concentration dans le mélange• à l’onde de pression se propageant devant le front de flamme
uuf SSV σρρ
==2
1
Vitesse laminaire
Rapport d’expansion
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ETUDE DES DANGERS DE HYPP (9/19)
Modélisation de la combustion du nuage d’hydrogène
3 méthodes semi-analytiques
• équivalent TNT
• multi-énergie
• Dorofeev
Méthode de l’équivalent TNT(selon la RFS)Nécessite la connaissance de la masseexplosible dans le nuage
TNT
lTNT E
EaM exp=
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ETUDE DES DANGERS DE HYPP (10/19)
• X (distance entre le lieu de fuite et la position du nuage) fixé Masse explosible
• ∆pmax = 140 mbars distance réduite : D (distance entre l’épicentre de l’explosion et l’enceinte)
Modélisation de la combustion du nuage d’hydrogène
( )31
TNTm
D=λ
60
70
80
90
100
110
120
20 40 60 80 100
mL=
X+D
(m)X=80 mètres
X=112 mètres L=112 mètres
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ETUDE DES DANGERS DE HYPP (11/19)
Méthode multi énergie
Donnée nécessaire : énergie explosible du nuage définie par
Définition d’un degré de sévérité qui permet de prendre en compte:
• La nature du mélange• L’encombrement du site
7.07.2
75.2
max 84.0 DSD
LVBRP u
p
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⋅=∆
31
'
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
atmPE
rr
Modélisation de la combustion du nuage d’hydrogène
nuagel cVEE exp=
Degré de sévérité
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ETUDE DES DANGERS DE HYPP (12/19)
Modélisation de la combustion du nuage d’hydrogèneRapport d’expansion
Méthode Dorofeev
Modélisation de la vitesse de flamme
Modélisations des effets de pression
( )RAA
SV ftf σ=
( )( )
312
2
3411 ⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+−=
δσσσσ α
αt
lfL
xR
xySbaVDistance caractéristique entre les
obstacles
Vitesse de flamme turbulente
Dimension caractéristique des obstacles
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
−= 2**2
0
2 14.083.01
RRcV
P f
σσ
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −−
−=
∗∗∗ 3200
0025.004.006.014.011RRRc
VcV
I ff
σσ
σσ
31
* ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
EP
RR atm
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ETUDE DES DANGERS DE HYPP (13/19)
Modélisation de la combustion du nuage d’hydrogène
• Calcul de Vf en fonction de X• ∆pmax = 140 mbars• D fixé
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
−=∆ 2**2
1
2 14.083.01
RRaV
P f
σσ
31
* ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
EP
DR atm
Vf X
Atelier GEDEPEON cogénération 8-9 septembre 2008, Odeillo CEA/DEN/DER
ETUDE DES DANGERS DE HYPP (14/19)
Modélisation de la combustion du nuage d’hydrogène
Critère ∆Pmax = 140 mbars
X=80 mètres
X=112 mètres
X=79 mètres
X=112 mètres
Multi-énergie DorofeevEquivalent TNT
L =112 mètres L =112 mètres
Atelier GEDEPEON cogénération 8-9 septembre 2008, Odeillo CEA/DEN/DER
ETUDE DES DANGERS DE HYPP (15/19)
Évaluation des effets de l’explosion sur l’enceinte du réacteur
• Modélisation du signal de pression• Modélisation de la réponse de la structure
à ce signal
121−
⋅==Du
tItP
PP
ppstst ω
Du
DuPP st
21
max
−= Pst, Du, ω caractéristiques de
l’enceinte
Nouveaux critères Pmax = 174 mbar
Imax = 1500 Pa.s
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ETUDE DES DANGERS DE HYPP (16/19)
Évaluation des effets de l’explosion sur l’enceinte du réacteur
Critère Imax = 1500 Pa.s
Equivalent TNT Multi-énergie Dorofeev
X=92 mètres
X=107 mètres
X=87 mètres
X=108 mètres
X=41 mètres
X=85 mètres L =107 mètres L =108 mètres
Atelier GEDEPEON cogénération 8-9 septembre 2008, Odeillo CEA/DEN/DER
ETUDE DES DANGERS DE HYPP (17/19)
Évaluation des effets de l’explosion sur l’enceinte du réacteur
• Cas du stockage de l’hydrogène
Hypothèses sur le réservoir : stockage de l’hydrogène produit par une unité (1 mol/s) durant 30 minutes
P=200bars, M=360 kg
• équivalent TNT: le nuage explose a une distance de 350 m du lieu d’émission et la distance de sécurité est 425 m ;
• méthode ME: le nuage explose a une distance de 360 m et la distance de sécurité est 386 m pour un degré de sévérité de 5 ;
• méthode Dorofeev : le nuage explose a une distance de 170 m et la distance de sécurité est 310 m.
Atelier GEDEPEON cogénération 8-9 septembre 2008, Odeillo CEA/DEN/DER
Scénario 10 :
• Rupture du plus gros des ballons de séparation285 kg d’hydrogène libérés
Scénario 13 :
• Fuite sur 5 stacks de production non détectée17 kg d’hydrogène libérés dans un bâtiment de 1460 m3
Explosion en milieu confiné
ETUDE DES DANGERS DE HYPP (18/19) : procédé EHT
1,00E-08
1,00E-07
1,00E-06
1,00E-05
1,00E-04
1,00E-03
1,00E-02
C1 C2 C3 C4
1817
16
1514
13
12 1110
98
probabilité / an
Atelier GEDEPEON cogénération 8-9 septembre 2008, Odeillo CEA/DEN/DER
ETUDE DES DANGERS (19/19) : distances de sécurité retenues pour EHT
HYPP VHTR
Vent60 m
300 m
Ballons de séparation
HYPP VHTR
Vent60 m
300 m
Ballons de séparation
EHT
Scénario 13
Scénario 10
Atelier GEDEPEON cogénération 8-9 septembre 2008, Odeillo CEA/DEN/DER
Approche des USA (1/3) : travail réalisé par INL (INERI)
Cadre risk-informed
Pas d’études d’interactions internes (étudiées par CEA et JAEA)
On vise un accroissement de risque marginal (réglementation) dû à HYPP
Réalisation d’une EPS « agression » à partir de l’EPS du HTGR (1984)
Evaluation de dispositions de conception du couplage
Réduction du risque associée
Approche des USA (2/3) : travail réalisé par INL (INERI)
Atelier GEDEPEON cogénération 8-9 septembre 2008, Odeillo CEA/DEN/DER
Construction d’arbres d’événements et de défaillances
Nombre d’EI limité
Fréquence d’ignition et de détonation tirées du REX REP
à justifier ?
Approche voisine d’ARAMIS mais plus fiabiliste
Etude de scénarios de dispersion de toxiques emplacement salle de commande
Atelier GEDEPEON cogénération 8-9 septembre 2008, Odeillo CEA/DEN/DER
Approche des USA (3/3) : travail réalisé par INL (INERI)
Etude des conséquences avec des modèles analytiques
Ordres de grandeurs cohérents
Schéma procédé générique pour les études d’accidents (IS)
A 60 mètres, l’objectif probabiliste n’est pas atteint
Distance de sécurité à prévoir
Procédé en cascade comme proposé par CEA
Stockage tampon inférieur à 100 kg de H2 (sinon calculs CFD)
Retour sur la conception (1/5)
Atelier GEDEPEON cogénération 8-9 septembre 2008, Odeillo CEA/DEN/DER
Démarrage et arrêt du système
Etude en cours de finalisation
Incidents
Le comportement naturel du système laisse généralement un temps de recours à des actions de régulation/conduite (inertie thermique des tuyauteries de couplage non considérée dans les calculs cas défavorable)
Moyennant le système de régulation proposé et une source froide de puissance comprise entre 300 MW et 600 MW, les perturbations incidentelles provenant de l’usine couplée peuvent être contrôlées sans perturbation du VHTR (pas d’action sur le circuit primaire et le cœur)
Retour sur la conception (2/5)
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Accidents internes
Une brèche induite de 10 tubes n’occasionnerait pas une concentration dangereuse de produits de HYPP dans l’enceinte du VHTR avant environ 15 mn (sur la base d’hypothèses très conservatives)
Exigence sur le système de découplage pas trop contraignantes si ce résultat est confirmé (Etudier le chargement de l’enceinte en cas de vidange du circuit de couplage dans l’enceinte critères dimensionnant pour les vannes de découplage)
L’arrêt du circulateur primaire est déterminant en cas d’échec de l’AAR
Retour sur la conception (3/5)
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Accidents externes
Une étude conservative de perte du refroidissement par eau (onde de pression) du RCCS indique qu’une dépressurisation du circuit primaire est possible sans autre rejet que l’inventaire en PF du primaire (fuel intègre)
Distances de sécurité de l’ordre de 100 m résultant du risque hydrogène non rédhibitoires en particulier compte-tenu des petits inventaires H2 pour l’EHT et de la structure en cascade de l’IS
Des stockages tampon/ballons de taille raisonnable conduisent à des distances de sécurité de l’ordre de 300 mètres
Risque toxique (SO2) pour le cycle IS : attention à l’emplacement de la salle de commande
Retour sur la conception (4/5)
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Réduction du risque
Exemple du monticule (étude CEA) réduction des conséquences
Réduction de la distance de 90 à 68 mètres pour un monticule de 50 m de haut
( )
( )
( )12
000
1
01
1
1
1122
111
−
−
⎟⎟⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−++
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−−
−=
γγ
γγγ
γ
atm
d
atm
d
di
PP
PP
aa
PP
L
H
Atelier GEDEPEON cogénération 8-9 septembre 2008, Odeillo CEA/DEN/DER
Retour sur la conception (5/5)
Réduction du risqueExemples US de réduction du risque
Perspectives
Atelier GEDEPEON cogénération 8-9 septembre 2008, Odeillo CEA/DEN/DER
BILAN
Les études préliminaires (CEA, INL, HTTR (japon)) indiquent qu’il n’y a pas a priori de point bloquant pour coupler un VHTR à une installation chimique
Une approche de sûreté a été proposée et des outils d’évaluation sont disponibles(les USA étendent leur approche à celle du CEA (modèle RELAP) et le CEA a le savoir-faire pour compléter son approche avec celle de INL -> compétence EPS)
PERSPECTIVES
Elaboration d’un JDD CATHARE pour l’EHT études d’accidents internes
Le réacteur de référence pour la haute température étudié par le CEA est le RNR-G : l’approche, les outils et le savoir-faire sont disponibles pour étudier le couplage de ce réacteur à des procédés à haute température
Etudes du couplage pour d’autres applications non électrogène (pétrochimie, sidérurgie, …)
Rédaction d’un article de synthèse des études réalisées au CEA dans le NED
Références
Atelier GEDEPEON cogénération 8-9 septembre 2008, Odeillo CEA/DEN/DER
S.B. DOROFEEV, « Evaluation of safety distances related to unconfined hydrogen explosions », 1st International Conference on Hydrogen Safety (ICHS), Pisa, Italy, September 2005
H. ANDERSEN et Coll., “ARAMIS : Accidental Risk Assessment Methodology for IndustrieS in the context of the Seveso II directive”, User guide, 2004
C.J.H VAN DEN BOSCH et col., “TNO Yellow Book, Method for the calculation of physical effects CPR 14E”, Sdu Uitgevers, 1997
F. Bertrand, F. Bentivoglio : " Preliminary transient analysis of the coupling of a VHTR with a hydrogen production plant with the CATHARE calculation code ", The 12th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-12), USA, Pittsburgh, October 1-5, 2007.
Bassi, A, Bertrand, F, Barbier, D, Aujollet, P and Anzieu, P, safety approach for couplingA VHTR with an Iodine Sulfur process cycle, 1st International Conference on Hydrogen Safety (ICHS), Pisa, Italy, September 2005