HAL Id: jpa-00212703
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Submitted on 1 Jan 1958
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Étude du comportement thermodynamique des réacteurs nucléaires
G. Fournet
To cite this version:
G. Fournet. Étude du comportement thermodynamique des réacteurs nucléaires. J. Phys. Phys.
Appl., 1958, 19 (S4), pp.39-47. �10.1051/jphysap:0195800190403900�. �jpa-00212703�
39 A.
ÉTUDE DU COMPORTEMENT
THERMODYNAMIQUE
DES RÉACTEURSNUCLÉAIRES (1)
Par G.
FOURNET,
Société Alsacienne de Constructions Mécaniques, Paris.
Résumé. 2014 Nous avons établi 2014 au moyen d’une approximation mathématique 2014 des expres- sions monômes des différents paramètres régissant le comportement thermodynamique d’un type
très général de réacteur nucléaire. Nous pouvons ainsi prévoir immédiatement les conséquences d’une modification quelconque des données de base du réacteur.
Abstract. 2014 By means of a mathematical approximation we obtain monomial expressions of
different parameters governing the thermodynamical behaviour of a very general type of nuclear
reactor. Thus we can foresee immediately the consequences of any modification of fondamental reactor data.
PHYSIQUE APPLIQUÉE 19, 1958,
1. Introduction. - C’est
grâce à
la circulation d’un fluidé de refroidissement que l’onpeut
engénéral
extraire une certainepuissance
d’unréacteur
nucléaire ;
l’étude ducomportement
ther-modynamique
d’un réacteur est doncparticu-
lièrement
importante.
Le but de notre
présent
travail est d’établir uneméthode de calcul de ce
comportement
et de déter-miner
ainsi,
enrégime per.manent,
les valeurs des différentsparamètres (débit, températures, pertes
de
charge)
définissantl’état
de ce fluide de refroi-dissement.
La structure
mathématique
deséquations
défi-nissant les
échanges
de .chaleur est tellequ’il paraît impossible
d’obtenir desexpressions
maniables de ces différents
paramètres ;
la consé-quence d’une modification d’une donnée de base du réacteur ne
peut
être connuequ’après
delongs
calculs
numériques.
Nous nous sommes donc atta-chés à essayer de trouver au moyen
d’approxi-
mations
mathématiques convenables
uneexpression
monôme des différents
paramètres
thermo-dynamiques
et depouvoir
ainsiprévoir
immédia-tement les
conséquences
d’une modificationquel-
conque des données.
2. Modèle de réacteur. - Nous supposons que la
partie
active du réacteur de formegénérale cylindrique (rayon R, longueur 2H) présente
uncertain nombre de canaux
régulièrement répartis
et tous
parallèles
à l’axe ducylindre
Oz. Nousfaisons
l’hypothèse
que larépartition
macro-scopique
du flux (D de neutronsthermiques
estrégie
par une loi dutype
où r
désigne
la distance d’unpoint quelconque
à(1) Le présent travail a été développé à partir d’études entreprises par la S. A. C. M. pour le compte du C. E. A. ;
ces études avaient donné lieu aux rapports SACM LT 463 (juin 1953) et LT 469 (juillet 1953) et plus particulièrement
au rapport LT 509 d’avril 1954.
l’axe Oz de la
partie
active et z la distance de cepoint
auplan
médian de lapile perpendiculaire
àl’axe Oz. ,
Dans chacun des canaux
ménagés
dans le modé-rateur,
se trouvedisposée
une substance fissible.Toutes
les sections de tous les canaux sont iden-tiques ;
la substance fissible aucentre, est
entourée d’unegaine qui
l’isole dufluide ;
cettegaine peut comporter
desdispositifs augmentant
leséchanges
de chaleur et nous
désignons par 1
le «périmètre
efficace » d’une section de la
gaine.
La sectionofferte au passage du fluide est S.
Nous supposons que toute la
production
dechaleur a lieu dans la substance fissible et que la circulation du fluide doit être telle
qu’en
aucun cas, latempérature superficielle tG
desgaines
nepuisse dépasser
une valeurTG (cf. chapitre 8).
Nous supposerons
également
que les écoulementsont lieu en
régime
turbulent et que la valeur du coefficientd’échange h
est fournie par la relationoù D est- le diamètre
hydraulique, X
la conduc-tibilité
thermique
dufluide,
8 et e les nombres deReynolds
et Prandtl.3.
Établissement
deséquations générales.
- Larépartition macroscopique
du flux de neutronsthermiques
étant donnée par(1),
lapuissance dissipée
dans une tranche delongueur
dz de sub-stance fissible est
quand
r et z sont les coordonnées moyennes de cette tranche.Si,
suivant les notations habituelles[1],
ondésigne
par
x1Ie
« rayonéquivalent »
de la cellule que l’onattribue à
chaque canal,
le nombre des canaux du réacteur seraArticle published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysap:0195800190403900
40 A
et la
longueur
totale des barreaux de substancefissible est ainsi
La valeur moyenne
Ã
de la densité linéaire depuissance dissipée
dans un barreau est doncquand
Pdésigne
lapuissance neutronique
totalede la
pile
et que l’on suppose que toute la pro- duction de chaleur a lieu dans la substance fissible.Si on
désigne
par ce(variable r) et p (variable z)
lesrapports
entre la valeur maximum de cettedensité
depuissance
et sa valeur moyenne, on obtient dans le sens radialet dans le sens
longitudinal
Le
paramètre
A del’expression (3)
est alorsdéfini par
Pour obtenir les
équations
de baserégissant
lecomportement thermodynamique
duréacteur,
nous considérons les
phénomènes thermiques
dontun
canal,
situé à une distance r du canalcentral,
est le
siège ;
lestempératures
de lagaine
et dufluide dans une tranche dz dont les coordonnées moyennes sont r et z sont
respectivement
notéestG
(r, z)
et6(r, z)...
La
première équation
est obtenue enécrivant l’égalité
entre d’unepart,
lapuissance
transmisede la
gaine
au fluidequi
circule dans le canal -- soit pour une tranche de canal delongueur
dzoù h
désigne
le coefficientd’échange, 1
lepéri-
mètre efficace de la
gaine
- et d’autrepart,
lapuissance dissipée
dans la substance fissibleLa
première équation
est ainsiLa deuxième
équation peut
être obtenue enécrivant que la
puissance
fournie au fluide sert àaugmenter
satempérature
d’unequantité
définiepar
’
(C
est la chaleurspécifique
dufluide,
G le débitmassique unitaire)
d’où4. Pile à fente. - 4.1. DÉTERMINATION DU DÉBIT MASSIQUE UNITAIRE DE CHAQUE CANAL. - Nous allons maintenant
appliquer
leséquations générales
que nous venonsd’indiquer
au cas d’unepile
àfente ;
l’entrée du gaz(à
latempérature 0.)
dans
chaque
demi-canal(compris
entre la fenteFIG. 1. - Schéma d’une pile à fente.
et une extrémité du réacteur
(cf. fig, 1))
se faitdans le
plan
z = 0 de sorte quel’équation (5) peut s’intégrer
sous la formesoit
La
température
de lagaine ta(z, r)
est doncfournie par
Dans le modèle de réacteur que nous consi-
dérons,
nous savons que latempérature
desgaines
doit être inférieure à une
température
limiteTG ;
la valeur maximum de
(7)
devra donc être pourchaque
canal(repéré
parr)
inférieure àTG.
Lecalcul de
fournit pour valeur zm. de z
correspondant
aumaximum de
(7)
nous obtenons donc pour la
valeur
maximum de(7)
Le débit
massique
unitaire du canal se trouvantà la distance r de l’axe de la
pile
est par consé-quent
défini par :La relation fournissant la valeur du coefficient
d’échange
h étant mise sous la forme(cf. (2))
soit tous calculs faits
nous pouvons poser
avec
De
même,
nous écrirons poursimplifier des expressions
ultérieuresl’équation (9)
devient ainsiLa méthode de calcul
développée
dans l’annexe Ipermet, après
avoirposé
soit
d’obtenir
(cf. (68))
soit
d’où
T’ous
calculsfaits,
nous pouvons écrire :4.2. CHOIX DU COEFFICIENT k. - Nous choi- sirons la valeur de k
(cf. (14))
telle que pour un certain canal moyenrepéré
par ro(auquel
corres-pond Go)
on ait exactement ,soit
A
partir
de(13)
on obtient alorsl’élimination de
Ga
entre(17)
et(18)
nous fournitsoit, après
avoirremplacé
t et s par leurexpression (cf. (11)
et(12)),
Après
avoir calculé la valeur du second membre de(20)
la courbereprésentative
des variations depermet
de déterminer la valeur de k convenable.4.3. PERTE DE CHARGE. - Nous ne calculerons que la
perte
decharge
relative aux canaux de lapile.
Pour obtenir laperté
decharge totale,
il -convient donc
d’ajouter
cequi
concerne l’extérieur de lapartie
active du réacteur.L’expression
permet
de calculer laperte
decharge
corres-pondant
là un canal delongueur
x. Cetteexpression
suppose que la valeur du
rapport f Jp
n’évolue pas lelong
ducanal ; quand
cette valeur varie il fautprendre
une valeur moyenne.42 A
En
remplaçant f
par sonexpression
on obtient
L’expression précédente
de G nouspermet
d’obtenir
4.4. DÉBIT TOTAL. - Le débit
volumétrique
d’un demi-canal situé à une distance r, de l’axe du réacteur est
égal
àPour obtenir le débit
volumétrique total,
il suffitmaintenant d’effectuer une somme de termes ana-
logues
à(26)
pour toutes les valeursde ri
réaliséesdans le
réacteur ;
poursimplifier
nousremplaçons
cette somme par une
intégrale
où le débit(26) correspondant
au canal r estmultiplié
par laproba-
bilité.
de trouver un centre de demi-canal dans une cou- ronne circulaire définie par les rayons r et r + dr.
Nous obtenons ainsi pour le débit
volumétrique
total
L’exposant
deJo(x) peut
s’écrire sous laforme,
cet
exposant
est engénéral, légèrement supérieur
à l’unité. La valeur de
l’intégrale
peut
s’écrire1(ul(k»
enposant
et
Nous pouvons donc maintenant écrire
l’expres-
sion du débit
volumétrique total Q
sous la forme :Le débit
massique
s’obtient au moyen de4.5. TEMPÉRATURE DU FLUIDE A LA SORTIE DE
CHAQUE CANAL. - La
température
de sortie d’un canalquelconque
est définie parsoit,
tous calculs effectuésPour obtenir la
température moyenne 03B8
de sortiedes gaz on
peut
calculer la moyenne de03B8s(r)
oubien se servir de la relation
ce
qui
fournitd’où en nous servant des valeurs des
rapports
a et03B2.
4.6. PUISSANCE DE POMPAGE. - Nous ne cal- culons ici que la
puissance qu’il
convient de fournirau fluide pour
qu’il puisse
traverser lapartie
active du réacteur
(cf. 4.3).
Si
chaque
demi-canal du réacteur est alimentéséparément,
lapuissance
de pompage estégale
àdont la valeur en
première approximation
estfournie par
Tous calculs faits nous trouvons ainsi
avec
Si tous les canaux sont alimentés à la fois
(dis- positif classique)
le débitmassique q(x)
corres-pondant
àchaque
demi-canal devratoujours
êtreassocié à la
perte
decharge
maximumAp(0)
desorte que dans ce cas, la
puissance
de pompage est donnée parsoit
La seule différence entre
W 1
etW 2
réside dansl’emploi
soit deJ(u1(k))
soit deI(ul(k)),
évidem-ment la
première intégrale possède
une valeurplus petite
que la deuxièmeintégrale.
5. Réacteur sans fente. - 5.1. DÉTERMINATION
DU DÉBIT MASSIQUE UNITAIRE. - Nous allons maintenant montrer
rapidement
comment uneméthode de calcul similaire
peut
êtreappliquée
aucas des
piles
sans fente(cf. fig. 2).
FIG. 2. - Schéma d’une pile sans fente.
L’entrée du gaz
(à
latempérature 00)
s’effectuedans le
plan
z = - H de sorte quel’équation (5) peut s’intégrer
sous la formesoit
La
température tG(z, r)
de lagaine peut
doncs’exprimer
sous la forme :et un calcul
analogue
à celui exécuté dans leparagraphe
4.1 fournitLe débit
massique
unitaire du canal se trouvantà la distance r de l’axe de la
pile
est parconséquent
défini par :
L’exemple
montre que sin bH est très voisin del’unité ;
nous pourrons doncemployer
enpremière approximation l’expression (69)
que nous avonsétablie dans l’annexe. En utilisant les mêmes nota- tions que celles définies
au §
4.1 nous obtenonsdonc : .
44 A
ou nous
rappelons que k
est défini parLa fonction
e(r)
étanttoujours petite
devantl’unité.
La relation
(44)
fournit pour valeur deG(r)
Tous calculs faits nous pouvons écrire
5.2. CHOIX DE LA VALEUR DU COEFFICIENT k. - Nous choisirons la valeur de k de telle
façon,
que pour un certain canalrepéré
par ro(auquel
corres-pond Go)
on ait exactementA
partir
de(43)
on obtient alorsl’élimination de
Go
entre(48)
et(49)
nous fournitsoit encore,
après
avoirremplacé t
et s par leurexpression :
Après
avoir calculé la valeur du second membre de(51)
pour un modèle depile,
la courberepré-
sentative des variations de
permet
de déterminer la valeur de k convenable pour lapile
considérée.5.3. PERTE DE CHARGE. - Nous pouvons main- tenant calculer la
perte
decharge correspondant
à la
partie
active du canal enappliquant l’expres-
sion
(22)
avec x =2H ;
le résultat final est5.4. DÉBIT TOTAL. - Le débit
volumétrique
total
peut
s’obtenir au moyen deL’exposant
deJ o(x) peut
s’écrirecet
exposant
est engénéral légèrement supérieur
àl’unité. La valeur de
l’intégrale peut
s’écrireI(u2(k))
oùI(u)
est définie par(28)
et oùU2(k)
est
égal
àNous pouvons maintenant obtenir
l’expression générale
du débitvolumétrique
Le débit
massique
s’obtient au moyen denous ne donnerons pas
l’expression
de M très voi-sine de
(56).
5.5. TEMPÉRATURE DU FLUIDE A LA SORTIE DE
CHAQUE CANAL. - La
température
de sortie d’uncanal
quelconque
est définie parsoit tous calculs effectués
La
température
moyenne03B8 de
sortiepeut
êtredéfinie par
ce
qui
fournitEn nous servant des valeurs des
rapports
«et P
nous obtenons
4.6. PUISSANCE DE POMPAGE. - Si
chaque
canaldu réacteur est alimenté
séparément,
lapuissance
de pompage est en
première approximation
déter-minée par
Tous calculs effectués nous trouvons ainsi
Si tous les canaux sont alimentés à la
fois,
la .puissance
de pompage sera donnéepar
le calcul montre que l’on obtient une
expression analogue
à celles que nous venonsd’indiquer
à celaprès qu’il
fautremplacer l’intégrale J(u2(k))
parI(u2(k))..
,6. Utilisation des diûérentes
expressions.
- Lapremière opération
consiste à déterminer la valeur de ksuivant,
soitl’expression (20),
soitl’expres-
sion
(51).
Les membres de droite de cesexpressions
sont en
l’exposant 0,2
montrequ’une
variation relativeimportante
de ro n’entraînequ’une
faible variation relative déet de k par
conséquent.
Le choix de ro n’est donc pascritique
et l’onpeut prendre R j2
ou encore lavaleur telle que
Jgo2(aox)
soit la moyenne arithmé-tique
de 1 etJg.2(aR)
ou tout autre valeur com-mode,
c’est-à-direcorrespondante
à une valeur de kfacile à manier.
Signalons
à cesujet
que pour un certain nombre de réacteurs onpeut prendre
k== 1 ;
notre
premier
travail dans ce domaine étaitjus-
tement limité à ce cas
(Rapports
SACM LT 469et LT
509).
Avant de
développer
la méthodegénérale
decalcul nous voulons
indiquer
que dans toutes lesexpressions
que nous avons données nous avonstoujours groupé séparément
endisposant
despoints
les facteurs suivants :les facteurs faisant intervenir la
géométrie
duréacteur : forme et dimensions de la
partie
ac-tive
(R, H,
a,b),
distance entre canaux(par
l’intermédiaire de
xl) ;
les facteurs faisant
intervenir
la « macrothermo-dynamique »
du réacteur :puissance neutronique (par
l’intermédiaire deA),
différenceTa - 03B80
detempérature
entre lepoint
leplus
chaud desgaines
et le fluide à
l’entrée ;
les facteurs définissant le fluide de refroidisse- ment : masse
volumique
p, chaleurspécifique
à46 A
pression
constanteC,
viscocosité u, nombre de Prandtl L(nous
avonstoujours
éliminé la conduc- tibilité03BB,
en faisant intervenir la définition du nombre dePrandtl) ;
les facteurs définissant la
géométrie
d’une section de canal : diamètrehydraulique D, périmètre
efficace 1 et aire de la section de passage S.
Dans le calcul des membres de droite des
équa-
tions
(20)
et(51)
définissant la valeur de k les deuxpremiers
groupes de facteurs ne donnant pas de difficultés.Les facteurs du troisième groupe ont des valeurs variables avec la
température.
Lepremier
stade dutravail consiste à effectuer une estimation des conditions moyennes
(température
etpression)’du
fluide au sein du
réacteur ;
on obtient ensuite àpartir
de(20)
et(51)
la valeur de kcorrespondant
à ces conditions moyennes. On
peut
ensuite cal-culer, k
étant connu, les valeurs des différents para-mètres
eten particulier
lesrépartitions
de latempé-
rature et de la
pression
au sein du fluide. Si les valeurs moyennes ainsi obtenues sont partrop
différentes de celles considérées a
priori
on recom-mence le travail en tenant
compte
de ces nouvellesvaleurs. Ces
approximations
successives doivent êtreégalement
effectuéesquand
la méthode decalcul
que nouspréconisons
n’est pas utilisée et neconstitue
donc pas unecomplication
liée à cetteméthode.
Le seul facteur du
quatrième
groupequi peut présenter
une difficulté est lepérimètre. efficace l ;
ce
périmètre
efficacedépend
engénéral
du coef-ficient
d’échange h
et du débitmassique
unitaire Gpar
conséquent.
Unepremière solution, calquée
sur celle que nous venons
d’indiquer
dans le para-graphe précédent,
consiste à déterminer la valeur de k àpartir
d’une évaluation10 de 1 ;
la valeur de k ainsi obtenuepermet
de calculer les différentsparamètres
et la fonctionG(r)
enparticulier ;
àpartir
d’une valeur moyenneGbien
choisie onpeut
ensuite évaluer l. La
comparaison
entre cette nou-velle valeur
li et 1()
montre si l’on doit ou non pro- céder à un nouveau calcul.Une deuxième
solution, qui
constitue un nouvelavantage
de notreméthode, peut
êtreemployée.
On commence par mettre la relation
sous forme d’une
expression
monômece
qui permet
de poserun calcul similaire à celui que nous avons donné dans le cas où
l’exposant
de G est0,8 peut
sepoursuivre.
Nous avons effectivementemployé
cette méthode pour résoudre un
problème qui
nousétait soumis.
7. -Résultats. - Cette méthode de
calcul,
bienque basée sur une
approximation,
nous a fournides valeurs en très bon accord avec des évaluations effectuées au moyen de
longs calculs.
Leprincipal avantage
de cette méthode est depermettre
devoir à
chaque
instant ce que l’on fait et de « sentir » ainsi l’ensemble ducomportement
thermo-dynamique
du réacteur.Nos
expressions peuvent
êtreégalement
d’ungrand
secours lors de laconception
d’un modèle de réacteur. Si l’on cherche parexemple,
touteschoses restant
égales d’ailleurs, quel
est le fluidequi
conduit auxplus
hautestempératures
de sortiedans une
pile
à fente il suffit de comparer les valeurs de(cf. (31))
pour les fluides
envisagés,
la valeur de k est déter- minée pourchaque
fluide àpartir
del’expres-
sion
(20) ;
onpeut également
ne considérerqu’une
valeur de k
correspondant
à un fluide « moyen ».Nous avons souvent
remarqué
dans des calculsanalogues
que cette dernière méthode ne conduitqu’à
des erreurs faibles etqu’elle peut
être effecti- vement utilisée.8. Conclusions. - Notre méthode de calcul
peut
être facilement
adaptée
au cas où le coefficientd’échange
est fourni par une relation autre que la relation(2).
Il estégalement possible
deprendre
encompte
d’autreshypothèses ; signalons
seulementà ce
sujet
que nous avons mis aupoint
un calculanalogue
pour étudier lecomportement
thermo-dynamique
d’un réacteur où l’on désirait que latempérature
de la substance fissible nedépasse
enaucun cas une valeur fixée
TF.
L’idée de base de notre travail est la transfor- mation d’une
expression quelconque (cf.
l’annexeet
l’expression
64 parexemple)
en uneexpression
monôme
approchée.
Nous pensons que de tels pro- cédés de « factorisation » sontsusceptibles
d’êtreemployés
defaçon générale
pour résoudre certainsproblèmes technologiques ; l’avantage
de ces pro- cédés est de fournir desexpressions
monômes desdifférents
paramètres
et depermettre
par là même l’étudesimple
etrapide
de l’influence des donnéessur ces
paremètres.
Nous sommes heureux de remercier MM. R. Julia et P.
Herreng,
Directeur Général et Directeur dela S. A. C. M. pour nous avoir autorisé à
publier
cetravail.
Manuscrit reçu le 24 janvier 1958.
Annexe
Nous allons chercher la meilleure
expression
mônôme fournissant une valeur
approchée
dequand
lerapport
de x à y est voisin d’un nombrequelconque k ;
nous posonsoù s est
petit
devant l’unité. En ne conservant que les termes dupremier
ordre nous obtenons :Nous cherchons maintenant à déterminer
E, 03B1,03B2
pour que
par identification nous obtenons
Dans le cas où y est nul nous pouvons donc écrire
de même dans le cas où y est
égal
à l’unitésoit encore
BIBLIOGRAPHIE
[1] GLASSTONE (S.) et EDLUND (M. C.), Nuclear Reactor Theory (Van Nostrand).