Contribution à l'étude des transferts gazeux et liquide au sein des parois en béton endommagées

Laghcha Abdeslam

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• Langue: Français

Extrait

Introduction générale et problématique
INTRODUCTION GENERALE
Le bâtiment réacteur à double enceinte des centrales nucléaires françaises est un ouvrage de génie civil
très important, de par sa conception et ses dimensions, qui doit obéir à des critères d’étanchéité pour
assurer la sécurité de la population avoisinantes en cas d’accident. Pour vérifier cette étanchéité, des
épreuves enceintes sont réalisées périodiquement. Ces essais consistent en une mise en pression du
bâtiment, à un niveau couvrent les conditions accidentelles prévisibles, afin de quantifier le taux de
fuite quittant l’enceinte de confinement interne.
Les observations relevées lors des ces épreuves périodiques d’étanchéité permet de mettre en évidence
deux types de fuites susceptibles d’exister à travers l’enceinte interne testée : soit des fuites dites
diffuses, liées à la porosité ouverte du béton, mais variablement reparties sur la paroi, soit des fuites
dites singulières, liées, par exemple, à des fissures continues et localisées dans la structure en béton.
Cette étude s’intéresse au premier type de fuite : les fuite diffuses. Outre la perméabilité propre au
matériau béton (porosité globale, connectivité du réseau poreux, état hydrique), les débits de fuite
mesurés traduisent également les défauts structurels de la paroi interne (microfissuration, présence de
plan de reprise de bétonnage, éventuelle hétérogénéité locale lors de la mise en œuvre…). Connaître le
comportement des zones de béton particulièrement perméables, sous sollicitation thermo-hydrique
(température et pression d’air humide), doit permettre une meilleure connaissance de la transition, à
une situation Accidentelle Par Perte de Réfrigérant Primaire (APRP), du taux de fuite global de
l’enceinte interne mesuré en condition d’épreuve.
Ce travail fait suite à d’autres travaux sur la même thématique qui se sont centrées sur l’étude de béton
sain ou de béton poreux de part leur structure propre.
Le premier objectif de ce travail est de réaliser au laboratoire des éprouvettes de béton représentatives
de zones susceptibles d’être présentes au sein d’une enceinte de confinement interne de manière très
locale et présentant une forte perméabilité à l’air. La conception de ces éprouvettes en béton est basée
sur deux approches différentes. Premièrement un endommagement quasi-uniforme et modéré est
généré par l’application d’une compression uniaxiale jusqu’à 90 % de la déformation au pic de
chargement. Il se traduit par l’initiation de microfissures le long de l’axe longitudinal des éprouvettes.
Deuxièmement un endommagement structurel par création artificielle d’un plan longitudinal de reprise
de bétonnage dégradé.
Pour que les mesures soient significatives et proches de la réalité physique de la structure, ce travail
s’effectue sur des éprouvettes cylindriques ayant l’épaisseur réelle (1,3 m) de l’enceinte interne du
bâtiment réacteur.
L’étude de l’influence de l’endommagement mécanique sur la perméabilité au gaz de trois éprouvettes
en béton ordinaire consiste une première phase du travail.
Le second objectif est d’étudier expérimentalement le comportement thermo-hydrique de deux
éprouvettes endommagées en béton ordinaire. La première (nommée BO+E) est fortement sollicitée en
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compression uniaxiale. La seconde éprouvette (nommé BO+RB) est endommagée structurellement par
un plan de reprise de bétonnage dégradé. Ces deux éprouvettes sont instrumentées sur toute la hauteur
(1,3 m) pour obtenir des informations sur les transferts de masse et de chaleur.
Ainsi les résultats de ce travail sont d’une part, des mesures de champs de température, de pression et
d’humidité et d’autre part de mesures de débits de fuite gazeux et liquide obtenues en situation
d’épreuve d’enceinte et en situation accidentelle de type APRP.
Le troisième objectif de cette étude est de simuler numériquement les deux scénarios expérimentaux, à
l’aide du modèle THM des milieux poreux non saturés du Code_Aster® d’EDF.
Ce mémoire est divisé en quatre parties. Après une explication générale de la problématique
industrielle, une première partie présente le cadre théorique de la mesure de la perméabilité dans des
parois en bétons sains et endommagés est préalablement posé, en décrivant les mécanismes de
transfert de masse sous gradient de pression au sein de ces parois, ainsi qu’une bibliographie sur
l’influence des sollicitations mécaniques sur la perméabilité.
La phase expérimentale, l’objet de la deuxième partie, est constituée en deux grands chapitres : le
premier chapitre explique la confection des éprouvettes et la caractérisation des bétons d’étude, en
décrivant la méthodologie adaptée pour fabriquer les deux types d’éprouvettes (BO+E et BO+RB),
ainsi que ses caractéristiques physiques en terme d’isotherme de sorption, perméabilités relatives à la
phase liquide et à la phase gazeuse et l’état hydrique initial de chaque éprouvette. Enfin, une étude des
caractérisations d’endommagement mécanique et l’effet de ce dernier sur la perméabilité au gaz des
éprouvettes à l’échelle 1 est détaillée. Dans un deuxième chapitre, les essais en condition d’épreuve
d’enceinte et en situation accidentelle de type APRP, avec la description des phénomènes observés sur
les champs de température, sur les champs de pression, sur l’état d’humidité des deux types
d’éprouvettes et sur la quantification des débits de fuite gazeux et liquides à l’extrados sont présentés.
Grâce au modèle THM (Thermo-Hydro-Mécanique) des milieux poreux non saturés implanté dans le
Code_Aster d’EDF, la simulation numérique des deux scénarios expérimentaux est effectuée dans la
troisième partie. Dans un premier chapitre, les éléments nécessaires pour la modélisation (perméabilité
intrinsèque, isotherme de sorption desquelles sont déduites les fonctions de perméabilités relatives aux
gaz et aux liquides et porosité) sont présentés. Le second chapitre aborde la confrontation des résultats
obtenus expérimentalement avec ceux prédits numériquement.
Rappelant que cette étude s’articule autour d’un travail expérimental et numérique, dans la perspective
d’un approfondissement pour aider à comprendre et à modéliser les transferts de fluides au sein d’une
paroi en béton.
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PROBLEMATIQUES INDUSTRIELLES
I. Positionnement du problème
Le bâtiment réacteur des centrales nucléaires de production d’électricité du palier 1300 et 1450 MWe à
double paroi est constitué de deux enceintes de confinement qui sont d’importants ouvrages de Génie
Civil. Ces enceintes sont formées d’un fût cylindrique surplombé d’un dôme (cf. Fig. I- 1 et Fig. I- 2).
L’enceinte externe est en béton armé dimensionnée pour résister aux agressions externes (chute
d’avions, séisme, vent...), l’enceinte interne est en béton précontraint et sans peau d’étanchéité,
destinée au confinement proprement dit. Elles doivent respecter des critères d’étanchéité pour assurer
la sécurité de la population.
Un des objectifs principaux dans la conception des enceintes de confinement à double paroi, des
réacteurs nucléaires de paliers de 1300 et 1450 MWe, consiste à rechercher l’étanchéité maximale de
l’enceinte interne de confinement. L’EDF doit justifier, devant l’autorité de sûreté, la capacité de
l’enceinte à assurer un taux de fuite qui soit, en phase accidentelle par perte du réfrigérant primaire
(APRP), inférieur, par 24 heures, à 1,5 % de la masse totale des fluides (mélange air sec + vapeur)
contenus dans l’enceinte. C’est donc l’étanchéité des enceintes qu’EDF doit assurer à tout instant.
Pour s’assurer de leurs performances vis-à-vis de ces critères, l’EDF réalise périodiquement des
épreuves d’étanchéité en appliquant une pression d’air sec jusqu’à une valeur correspondant à la
pression de dimensionnement de l’enceinte interne