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

Laghcha Abdeslam

Description

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 ...

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INTRODUCTION GENERALE

Introduction générale et problématique

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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Introduction générale et problématique

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. Positionnementdu problème

Introduction générale et problématique

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 avec une mesure de taux de fuite à l’extrados (Espace Entre Enceintes EEE), ceci sans chargement thermique. Ces épreuves sont effectuées avant la mise en service du réacteur, au cours de la visite complète initiale ettous les dix ans (visites décennales) jusqu’à la fin de la vie de l’enceinte.

Ces tests consistent à mettre en pression avec de l’air sec comprimé le bâtiment réacteur via l’enceinte interne, jusqu’à des niveaux de pression comparables à ceux qui surviendraient en cas d’accident (cf. Fig. I 3  et Fig. I 4 ). On prend ainsi en compte les conditions de pression qui seraient atteintes en cas d’accident par perte du réfrigérant primaire (APRP). Dans ce cas, la pression absolue maximale du mélange airvapeur atteinte serait de 0,52 MPa.

Lors d’un essai d’épreuve en air sec, un critère conservatif d’acceptabilité concernant la fuite à été fixé dans le rapport de sûreté à 1 % de la masse d’air contenue dans l’enceinte interne aux conditions de l’épreuve, qui correspond à la pression de dimensionnement. Dans le cas ou la fuite est supérieure au seuil de 1 %, les tranches considérées sont arrêtées et des travaux d’étanchéité sont réalisés.

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Dôme Ceinture Torique Enceinte Externe (EE) Espace Entre Enceinte (EEE) Tampon d’Accès Matériel Enceinte Interne (EI) Galerie de précontrainte Radier

22,95 m

5,9 m

66,5 m

Fig. I 1 :Coupe schématique de la partie Génie civil d’un Bâtiment réacteur

Introduction générale et problématique

Fig. I 2 :Schéma simplifié de la précontrainte de l’enceint

Les conditions accidentelles conduisent à des scénarios de montée en température et pression d’un mélange airvapeur dans l’enceinte très rapides (environ 20 secondes), suivis d’un palier et d’une phase de refroidissement, consécutive à la mise en route des systèmes d’aspersion dans l’enceinte. Préjuger des conditions exactes de température et de pression lors d’une situation accidentelle est délicat. Les graphiques suivants (cf. Fig. I 3 et Fig. I 4 ) donnent un exemple de cinétique de montée en pression telle qu’elle est obtenue au cours d’une épreuve périodique d’étanchéité à comparer à celle simulée pour une situation accidentelle (APRP). Avec le test d’épreuve, plusieurs paliers de pressions sont effectués durant lesquels la mesure du taux de fuite global de l’enceinte interne est réalisée. Ce taux représente le pourcentage de la masse d’air sec quittant l’enceinte par 24 heures. Il est rapporté aux conditions normales de température et de pression, soit 0°C (273,15 °K) et 0,1013 MPa de pression absolue, et le débit associé est donné en normaux litre par heure (Nl/h). Il est a noté que nos propres résultats sont très souvent ramenés à ces conditions. Des mesures sont effectuées tous les quarts d’heure et le débit de fuite globale quittant l’enceinte est estimé sur plusieurs périodes après que sa stabilisation ait eu lieu. L’écoulement est considéré permanent et son régime laminaire.

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Introduction générale et problématique

0.6 RGBC 1 IS 1 EAS 0.6 RGBI 1 IS 1EAS 0.5 0.5 APRP enveloppe 0.4 0.4 0.3 0.3 0.2 0.2 0.1 0.1 0.0 0.0 0 2040 60 80100 120 140 160 0.0001 0.0010.01 0.11 10100 Temps (h) Temps (h) Fig. I 3 :Evolution de la pression lors d’une épreuve Fig. I 4 :Evolution de la pression du mélange périodique d’étanchéité gazeux lors d’un APRPScénarios de rupture en branche chaude (BC) ou intermédiaire (BI) et courbe enveloppe (Augé 1988).

Outre la comparaison du taux de fuite global en air sec mesuré lors des épreuves périodiques d’étanchéité avec les limites conventionnelles réglementairement fixées (cf. Verdier 2001, Granger et al. 2001), établir une corrélation précise entre ce taux de fuite et la valeur réelle en situation accidentelle est essentiel dans la justification du débit de fuite en conditions d’accident et des rejets dans l’environnement. Apparaît alors la notion de ratio de transposition entre un débit de fuite relatif à une épreuve périodique d’étanchéité et un débit de fuite relatif à une situation accidentelle.

Un facteur de transposition n’est pas, a priori, une constante universelle ; il dépend en premier lieu du type de fuite considéré : soit à travers un matériau à porosité ouverte (noté : fuite diffuse) ou par des fissures continues et localisées (noté : fuite singulière).

Dans le cas de fissures, le facteur de transposition dépend vraisemblablement de leur ouverture et de leur tortuosité (géométrie, rugosité etc..). Dans le cas des fuites diffuses, il est probable qu’il dépend de l’état d’équilibre hydrique local interne, de la perméabilité du matériau (ellemême fonction de la porosité globale, de la géométrie et de la connectivité du réseau de pores, des anisotropies structurales relatives à la nature poreuse du matériau : microfissures, défauts locals lors de la mise en œuvre etc..).

Connaître et pouvoir prédire le comportement lors de situations accidentelles de toutes les zones qui présenteraient une perméabilité importante lors d’épreuve d’enceinte s’inscrit totalement dans les analyses de sûreté relatives au confinement des réacteurs nucléaires. Dans la notion de prédiction, intervient naturellement l’aspect de simulation numérique.

II. Objectifet démarche de l’étude

Cette étude s’intéresse aux fuites en air sec et en mélange d’air sec et vapeur d’eau à travers respectivement un essai en condition d’épreuve et un essai en condition accidentelle. Deux grandes phases seront abordées dans cette étude :

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 Introductiongénérale et problématique

•un test d’épreuve d’enceinte etUne phase expérimentale permettant de simuler, d’une part, d’autre part, une situation accidentelle sur les mêmes spécimens préalablement qualifiés en terme de représentativité d’une zone poreuse susceptible d’exister au sein d’une paroi interne du bâtiment réacteur nucléaire. La caractérisation du béton formant les spécimens fait aussi partie de cette phase expérimentale. Les paramètres fondamentaux de transfert, propres aux matériaux, déterminés dans cette phase sont nécessaires à la modélisation numérique. •Une phase de modélisation numérique permet de simuler les essais effectués et d’investiger les paramètres à prendre en compte pour obtenir des résultats réalistes visàvis de ceux obtenus dans la phase expérimentale. Les objectifs de cette étude sont fixés par L’EDF Septen et étudiés par l’INSA de Lyon. Il propose de 17 travailler avec des matériaux bétons présentant des fortes perméabilités aux gaz (entre 10.10et 17 500.10 m²).Cette obligation implique une reproduction, en laboratoire, des éprouvettes en béton respectant le critère de forte perméabilité, ceci pour un état hydrique naturel. La confection de spécimens en béton, respectant le critère de perméabilité, est basée ici sur deux approches différentes: présence de plans de reprise de bétonnage ou existence d’un réseau microfissuré. Notons que dans le cadre de sa thèse Billard (2003) a montré clairement que si la reprise de bétonnage n’est pas dégradée, celleci ne peut être en aucun cas considéré comme un défaut visàvis des écoulement de fluide. Ceci implique la réalisation artificielle d’un plan de reprise de bétonnage dégradé, et pour être efficace, ce plan de reprise doit être naturellement parallèle à la direction d’écoulement. Les essais en condition d’épreuves et en condition d’accident sont effectués avec le banc d’essai réalisé par Shekarchi (1999) et développé par Billard (2003). Il permet de tester des spécimens ayant les l’épaisseur réel de l’enceinte de confinement interne (H = 1,3 m). Ce banc d’essai doit pouvoir reproduire les conditions d’épreuve périodique d’étanchéité et d’une situation accidentelle de type APRP (pratiquement, dans les conditions du laboratoire, la réalisation d’une montée en pression et température en vingt secondes n’est pas possible ; de ce fait, les conditions d’accident définies, dans le cadre de cette étude, pour envelopper les accidents réels, sont effectuées suivant une montée en environ 2 heures, jusqu’à une température de T = 141 °C et une pression effective P eff = 0,42 MPa). Le banc d’essai utilisé lors de la campagne précédente permet:  larégulation d’une sollicitation en pression d’air sec seulement,  larégulation d’un rapport de mélange air sec / vapeur d’eau avec des pressions supérieures à la pression de vapeur saturante,  unecinétique de sollicitation en air + vapeur permettant une montée en d’environ 2 heures,  unequantification précise des débits de fuite liquides et gazeux à l’extrados de l’éprouvette. Le travail de modélisation numérique a une grande importance pour valider le modèle «Thermo HydroMécanique des Milieux Poreux non Saturés » du Code_Aster®. Ceci sur des bétons très poreux et présentant une forte perméabilité au gaz et adapté à notre problématiques. A travers la description de la théorie associée à ce modèle et la confrontation des résultats obtenus expérimentalement avec ceux obtenus numériquement, cette étude apporte un recul supplémentaire visàvis des essais effectués.

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