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

Laghcha Abdeslam

Description

Conclusions générales et perspectives CONCLUSIONS GENERALES ET PERSPECTIVES Les bâtiments réacteurs des centrales nucléaires d'EDF, à doubles parois, sont constitués de deux enceintes, la première assurant le confinement qui consiste à respecter les critères d'étanchéité pour assurer la sécurité des populations environnantes. Dans le contexte industriel relatif au contrôle de l'étanchéité des enceintes de confinement, la problématique de la présente étude est la suivante : il est nécessaire d'améliorer la connaissance qui permet de faire un lien entre le taux de fuite d'une enceinte, mesuré en conditions d'épreuve périodique d'étanchéité et le taux de fuite de cette même enceinte, lors d'un Accident par Perte de Réfrigèrent Primaire (APRP). Outre une physique des phénomènes de transfert dans le béton très différente suivant ces deux types de sollicitations, la difficulté réside également dans l'existence d'inhomogénéités et de singularités au sein de la paroi. Ces dernières sont à l'origine de la distinction, observée in situ lors des épreuves périodiques d'étanchéité, entre des fuites dites diffuses et des fuites singulières. En d'autres termes, quelle est l'influence sur le comportement thermo-hydrique de l'enceinte, lors d'une situation accidentelle, de zones susceptibles d'exister au sein de cette paroi interne et présentant initialement une perméabilité à l'air importante ? Rappelons que, des défauts, des singularités et des inhomogénéités peuvent ...

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Extrait

CONCLUSIONS GENERALES ET PERSPECTIVES

Conclusions générales et perspectives

Les bâtiments réacteurs des centrales nucléaires d'EDF, à doubles parois, sont constitués de deux enceintes, la première assurant le confinement qui consiste à respecter les critères d'étanchéité pour assurer la sécurité des populations environnantes.

Dans le contexte industriel relatif au contrôle de l'étanchéité des enceintes de confinement, la problématique de la présente étude est la suivante : il est nécessaire d'améliorer la connaissance qui permet de faire un lien entre le taux de fuite d'une enceinte, mesuré en conditions d'épreuve périodique d'étanchéité et le taux de fuite de cette même enceinte, lors d'un Accident par Perte de Réfrigèrent Primaire (APRP). Outre une physique des phénomènes de transfert dans le béton très différente suivant ces deux types de sollicitations, la difficulté réside également dans l'existence d'inhomogénéités et de singularités au sein de la paroi. Ces dernières sont à l'origine de la distinction, observée in situ lors des épreuves périodiques d'étanchéité, entre des fuites dites diffuses et des fuites singulières.

En d'autres termes, quelle est l'influence sur le comportement thermohydrique de l'enceinte, lors d'une situation accidentelle, de zones susceptibles d'exister au sein de cette paroi interne et présentant initialement une perméabilité à l'air importante ?

Rappelons que, des défauts, des singularités et des inhomogénéités peuvent exister au sein de la paroi de l'enceinte interne. Ces différents défauts, lors d'un accident par APRP participent majoritairement au transfert thermohydrique.

Méthodologiquement, deux approches ont été utilisées : l'une basée sur des expériences et l'autre basée sur une simulation numérique.

Pour que les résultats soient significatifs et proches de la réalité physique du comportement structurel, ce travail a été effectué sur des spécimens cylindriques ayant l'épaisseur réelle (1,3 m) de l'enceinte interne.

La fabrication des corps d'épreuve est basée sur deux approches différentes : l'une consiste à créer un endommagement uniforme et modéré généré par l'application d'une sollicitation mécanique de type compression uniaxiale jusqu'à 90 % de la déformation au pic de chargement, Il se traduit par l'initiation de microfissures s'orientant préférentiellement le long de l'axe longitudinal des éprouvettes en béton. La deuxième consiste à placer un endommagement structurel par création artificielle d'un plan longitudinal de reprise de bétonnage dégradé. Pour être efficace, ce plan de reprise est parallèle à la direction d'écoulement. Notons que, les résultats expérimentaux intégrés dans la thèse de Billard (2003), montrent clairement que si la reprise de bétonnage n'est pas dégradée, celleci ne peut être en aucun cas considérée comme un défaut visàvis des écoulements de fluide, ceci pour des éprouvettes réalisées en laboratoire.

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Conclusions générales et perspectives

Les résultats obtenus concernant le lien entre la perméabilité résiduelle aux gaz et l'endommagement mécanique sur des éprouvettes de grande taille montrent qu'il faut atteindre, sous sollicitation de compression simple, un niveau de déformation très proche de la rupture pour obtenir une influencesensible de la fissuration induite par la compression sur la perméabilité aux gaz. Cette augmentation est forcément liée à la formation d'un réseau de microfissures connectées reparties dans l'éprouvette. Ces fissures une fois créées, ne se referment pas complètement après déchargement. L'exploitation des résultats obtenus sur des corps d'épreuve de taille différentes met en évidence un effet d'échelle : pour un même niveau de sollicitation les grosses éprouvettes sont plus perméables.

Les résultats de caractérisation physique du béton ordinaire utilisé montrent un comportement conforme à celui trouvé dans la littérature, ceci pour les informations sur la teneur en eau à saturation, volume de vide et courbe d'isotherme de sorption.

Pour caractériser la zone poreuse obtenue en mettant en ouvre la reprise de bétonnage dégradée, nous avons distingué le volume des vides sensibles aux phénomènes de capillarité et des vides très peu sensibles à ces phénomènes. Ainsi il est proposé une courbe d'isotherme de sorption qui décrit l'évolution de la pression capillaire en fonction de degré de saturation en eau liquide. La particularité de cette courbe de sorption est l'existence d'un seuil à partir duquel le phénomène de capillarité n'a que très peu d'influence sur le degré de saturation en eau liquide.

La seconde phase du travail expérimental de cette étude a permis de simuler sur les deux éprouvettes BO+E et BO+RB (diamètre = 0,5 m et hauteur = 1,3 m) des conditions d'épreuve d'enceinte (sollicitation en pression d'air sec) et une situation accidentelle enveloppant le cas réel d'un AFRP. Les informations suivantes doivent être retenues pour les essais en condition d'épreuve:

•Malgré la forte perméabilité de la zone poreuse formant la reprise de bétonnage dégradé de l'éprouvette BO+RB, l'écoulement observé à travers la section droite de cette zone d'épaisseur moyenne (1 mm) est laminaire. L'exploitation des résultats montre que cette zone à une perméabilité intrinsèque égale à 1,54 1 0l3 m2. •En régime permanent d'écoulement, au centre de l'éprouvette BO+E, il est relevé le long de l'éprouvette un champ de pression très peu variable (sauf près des extrémités de l'éprouvette), ce qui indique une forte connectivité du réseaux de fissures au cœur de la paroi. •L'essai de perméabilité à l'eau (effectué sur le banc après application des deux scénarios précédemment indiqués), réalisé sur l'éprouvette BO+RB a montré une légère déviation de la loi de Darcy pour de faibles gradients hydrauliques. La perméabilité de cette zone est plus faible à l'eau qu'au gaz. Un rapport de 16 permet de passer de l'une à l'autre (kv gaz = 1 6 kv eau. ). Concernant le scénario accidentel de type APRP, caractérisé par une montée en pression du mélange gazeux (air sec + vapeur d'eau) et en température suivi par un palier à 141°C et 0,52 MPa absolus, nous pouvons retenir les informations suivantes : 205

Conclusions générales et perspectives •Pendant la sollicitation, l'humidité pénètre dans l'éprouvette (BO+E) en suivant des chemins préférentiels. Ainsi des capteurs avals notent la progression d'humidité avant d'autres capteurs situés en amont. Ce type de comportement est le résultat des endommagements induits par l'essai de compression, qui a modifié l'orientation, la connexion et l'augmentation des réseaux fissurés qui changent l'état de transfert de masse dans le béton. Cette constatation peut expliquer les effets d'échelle constatés sur les évolutions de perméabilités obtenues entre petites et grosses éprouvettes. •Avec les matériaux très perméables, comme le cas de l'éprouvette BO+RB, un front de saturation en eau liquide se forme et progresse rapidement dans les réseaux poreux jusqu'à l'extrados. •Dans les premières heures de sollicitation, le débit de fuite gazeux mesuré à l'extrados monte régulièrement jusqu'à un pic. Les condensations formées sous l'effet thermique, rend difficile la circulation du gaz et facilité le passage de la phase liquide à l'intérieur des espaces poreux. •Le débit de fuite en eau liquide, mesuré à l'extrados, confirme qu'il n'est pas nécessaire que la paroi soit complètement saturée en eau liquide pour qu'un flux liquide transite jusqu'à l'extrados ; il suffit seulement que la phase liquide soit continue au sein de la totalité du réseau poreux. •Si les cinétiques de comportement thermohydrique sont différentes, les mécanismes de transferts de masse restent les mêmes pour les deux types d'éprouvettes testées. La partie modélisation de ce travail est effectuée unidirectionnelement à l'aide du modèle Thermo HydroMécanique (THM) des milieux poreux non saturés implanté dans le Code_Aster®. Il permet de prendre en compte un flux de masse qui se compose ainsi d'un flux d'eau liquide, d'un flux de vapeur d'eau et d'un flux d'air sec. Vu la relativement faible pression de sollicitation, les couplages avec la partie mécanique n'ont pas été pros en compte. Il est retenu les hypothèses suivantes : incompressibilité de la phase solide et la force de pesanteur sur les fluides est négligée. Cette étude apporte un approfondissement des connaissances et plus particulièrement sur la façon de générer des jeux de données compatibles avec les phénomènes physiques. Ainsi, il a été possible d'étudier 13 2 des structures très poreuses et très perméables (jusqu'à 10m ). Cette modélisation permet de mettre en évidence, pour une même sollicitation, l'influence essentielle des flux hydrauliques par les caractéristiques hydriques (perméabilités relatives et intrinsèque, état hydrique et la courbe de sorption) et les caractéristiques de porosité du matériau. Malgré les échelles de temps très différentes dans les deux cas, il est possible de retenir les phénomènes suivants : Dans la période transitoire de sollicitation, le modèle prédit que le transfert de fluide est géré par la perméabilité relative au gaz et celle relative au liquide. En effet, dans les premières heures de sollicitation (régime transitoire), les réseaux poreux ne sont pas saturés en eau liquide ce qui favorise le transport du gaz (air sec et vapeur d'eau). Le temps passe, des condensations apparaissent sur les parois des pores accessibles au transport (effet thermique). Ces condensations gênent le passage du gaz et facilitent la circulation de la phase liquide. En suite cette 206

Conclusions générales et perspectives

phase liquide progresse pour former une ligne continue le long des surfaces des pores ce qui permet le transfert de l'eau liquide jusqu'à l'extrados de la paroi. Ainsi, durant la sollicitation, il y a formation d'un front de saturation en eau liquide à l'intérieur des réseaux poreux de la paroi, ce qui rend difficile le passage du gaz et amplifie le mouvement de l'eau liquide. Lorsque le coefficient de perméabilité relative à l'eau liquide atteint le maximum, le front de saturation devient stable dans le matériau. Ceci rend le flux liquide maximal et ledébit gazeux minimal. La quantité d'eau rentrant dans le matériau sort complètement. La modélisation THM nécessite de nombreux paramètres d'entrés. De notre expérience il y a nécessité de bien caractériser expérimentalement le matériau. Mais notons que les essais globaux (pas forcement aussi complexe que ceux réalisés) restent encore un outil indispensable pour valider quantitativement les démarches de modélisations.

Les facteurs de transposition obtenus soit expérimentalement ou par modélisation sur les éprouvettes BO+E et BO+RB, dans le cas précis des sollicitations étudiées ici, sont supérieurs à l'unité. Ces résultats sont satisfaisants d'un point de vue sécuritaire.

Le vieillissement des structures en béton (incluant fluage, séchage, redistribution d'efforts,...) induit des endommagements qui se caractérise par des fissurations diffuses ou localisées. Cette étude a mis en exergue les écoulements obtenus à travers deux types de défauts particuliers sous une sollicitation uniquement thermohydrique. Pour mieux prendre en compte les problématiques structurelles, il y a nécessité d'aborder des études thermohydromécaniques, pour faire travailler des fissures ouvertes et pour intégrer le couplage avec la mécanique. Par ailleurs, d'autres types de défauts (par exemple macrofissure initiée mécaniquement avec ouverture contrôlée) seraient à étudier.

Cette étude s'est intéressée au couplage entre endommagement induit par de la compression uniaxiale et la perméabilité. Elle a montré qu'on pouvait, grâce à l'observation expérimentale, établir une relation entre un endommagement caractérisé par une grandeur mécanique et la perméabilité, mais cette relation semble sensible aux effets d'échelle, problème à approfondir. Mais il y aurait aussi à mieux comprendre comment la perméabilité peut traduire des écoulements à travers des réseaux microfissurés, continus ou discontinus.

La démarche d'étude des écoulements proposée dans le CodeAster@ semble performante pour nos études de cas. Néanmoins, l'expérience acquise avec cet outil montre qu'il y a nécessité d'une caractérisation physique complète et cohérente des paramètres de transferts et ceci d'autant plus que l'on souhaite mené des études sur des bétons très perméables. Des paramètres complémentaires pourraient être pris en compte pour la modélisation thermo hydrique des milieux poreux comme l'influence de la température sur les isothermes de sorption, sur les perméabilités et les perméabilités relatives. Nos investigations ont montré un rapport entre perméabilité à l'air sur perméabilité à l'eau de 15 à 20. Il serait important d'étudier les paramètres matériaux qui influent sur ce rapport et de mieux comprendre ce qui fait la différence des écoulements dans les deux cas. 207