Les ingénieurs doivent gérer un maelström au cœur des réacteurs nucléaires en fonctionnement. Les réactions nucléaires déposent une quantité extraordinaire de chaleur dans les crayons combustibles, déclenchant une frénésie d'ébullition, bouillonnant, et l'évaporation dans le fluide environnant. De ce flot bouillonnant, les opérateurs exploitent l'évacuation de la chaleur.

À la recherche d'une plus grande efficacité dans les systèmes nucléaires, les scientifiques ont longtemps cherché à caractériser et à prédire la physique sous-jacente à ces processus de transfert de chaleur, avec un succès modeste.

Mais maintenant, une équipe de recherche dirigée par Emilio Baglietto, professeur agrégé de science et d'ingénierie nucléaires au MIT, a fait une percée significative dans le détail de ces phénomènes physiques. Leur approche utilise une technologie de modélisation appelée dynamique des fluides computationnelle (CFD). Baglietto a développé de nouveaux outils CFD qui capturent la physique fondamentale de l'ébullition, permettant de suivre l'évolution rapide des phénomènes de transfert de chaleur à l'échelle microscopique dans une gamme de réacteurs différents, et pour différentes conditions de fonctionnement.

"Nos recherches ouvrent la perspective de faire progresser l'efficacité des systèmes électronucléaires actuels et de concevoir un meilleur combustible pour les futurs systèmes de réacteurs, " dit Baglietto.

Le groupe, dont Etienne Demarly, un doctorant en sciences et ingénierie nucléaires, et Ravikishore Kommajosyula, un doctorant en génie mécanique et calcul, décrit son travail dans le numéro du 11 mars de Lettres de physique appliquée .

Baglietto, arrivé au MIT en 2011, est responsable de la thermohydraulique pour le Consortium for Advanced Simulation of Lightwater Reactors (CASL), une initiative initiée en 2010 pour concevoir des outils de modélisation prédictive pour améliorer les réacteurs actuels et futurs, et assurer la viabilité économique de l'énergie nucléaire en tant que source d'électricité.

Au cœur des travaux de la CASL de Baglietto a été la question du flux de chaleur critique (CHF), qui "représente l'un des grands défis pour la communauté du transfert de chaleur, " dit-il. CHF décrit une condition d'ébullition où il y a une perte soudaine de contact entre le liquide bouillonnant, et l'élément chauffant, qui, dans le cas de l'industrie nucléaire, est le crayon de combustible nucléaire. Cette instabilité peut survenir brutalement, en réponse aux changements de niveaux de puissance, par exemple. Alors que l'ébullition atteint une crise, un film vaporeux recouvre la surface du carburant, qui laisse alors place à des taches sèches qui atteignent rapidement des températures très élevées.

"Vous voulez que des bulles se forment et partent de la surface, et l'évaporation de l'eau, pour évacuer la chaleur, " explique Baglietto. " S'il devient impossible d'évacuer la chaleur, il est possible que le revêtement métallique tombe en panne."

Les régulateurs nucléaires ont établi des réglages de puissance dans le parc de réacteurs commerciaux dont les limites supérieures sont bien en deçà des niveaux qui pourraient déclencher l'ICC. Cela signifie faire fonctionner les réacteurs en dessous de leur production énergétique potentielle.

"Nous voulons permettre autant d'ébullition que possible sans atteindre CHF, " dit Baglietto. " Si nous pouvions savoir à tout moment à quelle distance nous sommes de CHF, nous pourrions opérer juste de l'autre côté, et améliorer les performances des réacteurs.

Y parvenir, dit Baglietto, nécessite une meilleure modélisation des processus conduisant à l'ICC. "Les modèles précédents étaient basés sur des suppositions intelligentes, car il était impossible de voir ce qui se passait réellement à la surface où l'ébullition a eu lieu, et parce que les modèles n'ont pas pris en compte toute la physique du CHF, " dit Baglietto.

Il a donc entrepris de créer un représentation haute fidélité des processus de transfert de chaleur en ébullition jusqu'au point de CHF. Cela signifiait créer des modèles physiquement précis du mouvement des bulles, ébullition, et de la condensation se produisant à ce que les ingénieurs appellent "le mur" - le revêtement de quatre mètres de haut, barres de combustible nucléaire d'un centimètre de large, qui sont emballés par dizaines de milliers dans un cœur de réacteur nucléaire typique et entourés de fluide chaud.

Alors que certains des modèles informatiques de Baglietto ont tiré parti des connaissances existantes sur les processus complexes de transfert de chaleur des assemblages combustibles à l'intérieur des réacteurs, il a également recherché de nouvelles données expérimentales pour valider ses modèles. Il a fait appel à ses collègues du département Matteo Bucci, le professeur assistant Norman C. Rasmussen de sciences et d'ingénierie nucléaires, et Jacopo Buongiorno, le professeur TEPCO et chef de département associé pour les sciences et l'ingénierie nucléaires.

En utilisant des réchauffeurs simulés électriquement avec des assemblages combustibles de substitution et des parois transparentes, Les chercheurs du MIT ont pu observer les moindres détails de l'évolution de l'ébullition en CHF.

"Vous partiriez d'une situation où de jolies petites bulles enlevaient beaucoup de chaleur, et de l'eau nouvelle a inondé la surface, garder les choses froides, à un instant plus tard quand soudain il n'y avait plus d'espace pour les bulles et les taches sèches se formaient et se développaient, " dit Baglietto.

Une corroboration fondamentale a émergé de ces expériences. Les premiers modèles de Baglietto, contrairement à la pensée conventionnelle, avait suggéré que pendant l'ébullition, l'évaporation n'est pas la forme exclusive d'évacuation de la chaleur. Les données de simulation ont montré que les bulles glissant, la bousculade et le départ de la surface ont enlevé encore plus de chaleur que l'évaporation, et les expériences ont validé les résultats des modèles.

"Les travaux de Baglietto représentent un jalon dans l'évolution des capacités prédictives des systèmes d'ébullition, nous permettant de modéliser les comportements à un niveau beaucoup plus fondamental que jamais auparavant, " dit W. David Pointer, chef de groupe d'ingénierie avancée des réacteurs au Laboratoire national d'Oak Ridge, qui n'a pas participé à la recherche. "Cette recherche nous permettra de développer des conceptions nettement plus agressives qui optimisent mieux la puissance produite par le carburant sans compromettre la sécurité, et cela aura un impact immédiat sur les performances du parc actuel ainsi que sur la conception des réacteurs de prochaine génération. »

Les recherches de Baglietto permettront également d'améliorer rapidement le processus de développement des combustibles nucléaires. Au lieu de dépenser des mois et des millions de dollars en expériences, dit Pointeur, « Nous pouvons raccourcir ces longues séquences de tests en fournissant des modèles fiables."

Dans les années à venir, L'approche globale de Baglietto peut aider à fournir un revêtement de combustible plus résistant à l'encrassement et aux impuretés, plus tolérant aux accidents, et qui encourage une plus grande mouillabilité, rendant les surfaces plus propices au contact avec l'eau et moins susceptibles de former des zones sèches.

Même de petites améliorations de la production d'énergie nucléaire peuvent faire une grande différence, dit Baglietto.

"Si le combustible fonctionne cinq pour cent mieux dans un réacteur existant, cela signifie cinq pour cent de production d'énergie en plus, ce qui peut signifier brûler moins de gaz et de charbon, " dit-il. " J'espère voir notre travail très bientôt dans les réacteurs américains, car si nous pouvons produire plus d'énergie nucléaire à moindre coût, les réacteurs resteront compétitifs par rapport aux autres combustibles, et avoir un impact plus important sur les émissions de CO2.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.