Bureau d’études en ventilation nucléaire

La ventilation est une fonction support des équipements qui assurent le fonctionnement normal ou doivent rester disponibles en conditions accidentelles. Dans les projets du nouveau nucléaire comme dans les évolutions du parc nucléaire français, son rôle dans la défense en profondeur est devenu de plus en plus important.

La ventilation nucléaire doit aujourd’hui assurer un fonctionnement optimal en toutes saisons, y compris dans des conditions extérieures extrêmes, mais également dans des situations exceptionnelles, comme une perte de tension. La disponibilité des équipements de sauvegarde en dépend : un mauvais contrôle de la température ou de l’humidité peut remettre en cause la qualification de matériels classés de sûreté.

Les contraintes sur les systèmes de ventilation sont donc fortes : ils doivent être fonctionnels aussi bien à faible charge qu’à forte charge. Un mauvais dimensionnement peut entraîner des phénomènes de cyclage, conduire à des équipements surdimensionnés et énergivores, voire, dans le pire des cas, empêcher l’accomplissement de leur fonction.

Ces systèmes sont généralement dimensionnés sur des points de fonctionnement en régime permanent, mais doivent également assurer des fonctionnements spécifiques lors de phases transitoires. Les hypothèses de modélisation sont alors très différentes : certains phénomènes physiques négligeables en régime permanent peuvent devenir déterminants en transitoire.

Disposer d’un modèle capable de simuler rapidement ces deux types de situations, tout en prenant en compte les phénomènes physiques pertinents dans chacun des cas, permet de mieux quantifier les marges et de fiabiliser les choix de dimensionnement et d’architecture.

Pour ces études, nous utilisons le langage de modélisation Modelica, adapté à la représentation des systèmes thermo-fluidiques complexes et au couplage de leurs différents composants. SIL3X contribue également au consortium OpenModelica et développe ses propres bibliothèques de modèles afin de répondre aux besoins spécifiques des études de ventilation nucléaire.

Cette maîtrise de la modélisation nous permet d’aller au-delà de l’utilisation de modèles standards. Nous développons notamment des outils sur mesure pour les besoins de dimensionnement et de justification, dont TAeZo, une bibliothèque qualifiée au sens du guide n°28 de l’ASN et dédiée à la simulation des systèmes de ventilation.

Notre outils qualifié pour les études de ventilation 

Les systèmes de ventilation complexes peuvent présenter plusieurs points de fonctionnement, notamment lorsque certaines branches du réseau sont isolées pour confiner des locaux sensibles ou adapter la configuration de l’installation. Ces changements de configuration peuvent modifier significativement les débits, les pertes de charge et les conditions de fonctionnement des ventilateurs. Il devient alors nécessaire d’évaluer leur impact sur le dimensionnement et les marges disponibles pour chaque scénario.

Pour cela, nous réalisons des modélisations aérauliques des réseaux intégrant les caractéristiques géométriques des circuits, les températures et les caractéristiques des équipements. Les données fournisseurs des ventilateurs — courbes débit/pression, rendement, plage de fonctionnement — ainsi que les dispositifs de régulation, comme les variateurs de fréquence, peuvent être intégrés aux modèles.

Ces modèles permettent de simuler rapidement les différentes configurations et scénarios dimensionnants du projet, de vérifier l’équilibrage du réseau et de quantifier les marges disponibles. Ils peuvent également être utilisés pour définir un pré-réglage des réseaux avant les essais de démarrage et pour évaluer les débits de fuite nécessaires au maintien des cascades de dépression.

Lors de certaines situations accidentelles, comme la vaporisation d’une piscine contenant du combustible nucléaire, les systèmes de ventilation et les dispositifs d’évacuation doivent être dimensionnés pour absorber et évacuer les masses et les énergies mises en jeu. Une approche enveloppe peut consister à considérer de manière instantanée l’ensemble de l’énergie disponible. Si elle permet de majorer le phénomène, cette hypothèse peut conduire à des sollicitations très importantes et à un dimensionnement pénalisant des exutoires ou des dispositifs de protection, comme les membranes d’éclatement.

Une modélisation dynamique permet au contraire de prendre en compte les différents phénomènes thermiques qui gouvernent la cinétique du phénomène : transferts de chaleur, évolution des températures, vaporisation progressive et échanges avec les structures et les équipements environnants. L’énergie et la masse libérées sont alors calculées au cours du transitoire plutôt que considérées comme instantanément disponibles.

Nous réalisons ces études pour quantifier les sollicitations réellement transmises aux systèmes et évaluer leur impact sur le dimensionnement. Cette approche permet de mieux distinguer les marges physiques des conservatismes liés aux hypothèses de calcul, et d’optimiser le dimensionnement des exutoires et des dispositifs de protection tout en conservant les marges nécessaires à la sûreté.

Certaines installations présentent des configurations intrinsèquement hétérogènes, pour lesquelles une approche système ne permet plus de représenter suffisamment finement les phénomènes physiques. C’est notamment le cas de hottes, de transformateurs ou de locaux présentant des risques liés à l’hydrogène. Les écoulements, les échanges thermiques et les phénomènes de mélange peuvent alors dépendre fortement de la géométrie et de la répartition spatiale des sources.

Les études CFD permettent de représenter ces phénomènes en trois dimensions afin de vérifier les critères de conception et de valider les choix de dimensionnement. Elles permettent notamment d’identifier les zones critiques, de caractériser les hétérogénéités de température ou de concentration et de quantifier les marges disponibles.

Nous utilisons le logiciel code_saturne, développé par la R&D d’EDF, pour réaliser ces simulations et justifier les conceptions. Notre expertise ne se limite toutefois pas à l’utilisation du code : nous développons également des fonctionnalités au sein de Code_Saturne afin d’adapter les modèles aux problématiques rencontrées et de réduire les temps de calcul. Cette maîtrise du code et de ses modèles nous permet de répondre rapidement à des besoins de justification par la CFD.