Orientation en matière de réglementation sur les générateurs de vapeur de remplacement – Étude expérimentale sur l’incidence des supports de méplats sur l’instabilité fluide élastique parallèle à l’écoulement des générateurs de vapeur (R682.1)

Étant donné que ces tubes constituent la frontière sous pression entre le fluide caloporteur primaire irradié et le fluide caloporteur du circuit secondaire, leur défaillance constitue une rupture de confinement et, par conséquent, une telle défaillance ne peut être tolérée. Jusqu’à l’incident opérationnel lié à la dégradation des tubes des générateurs de vapeur survenu récemment à la centrale nucléaire de San Onofre, l’instabilité fluide-élastique parallèle à l’écoulement (plus souvent appelé « dans le plan ») n’était pas considérée comme un problème. En effet, selon les codes de l’ASME et de la JSME, il n’est pas nécessaire de prendre en compte l’instabilité fluide-élastique parallèle à l’écoulement. Bien qu’il existe des directives de conception permettant d’éviter de telles vibrations, les tubes font encore l’objet de défaillances, et le danger s’accroît en fonction de la durée de service des générateurs de vapeur de même que lorsque la conception des générateurs de vapeur de remplacement ne correspond pas exactement à la conception originale.
Les directives de conception des générateurs de vapeur sont principalement fondées sur des données empiriques provenant d’expériences en laboratoire, et la vérification des codes dépend en grande partie de l’expérience du service. Par conséquent, lorsque des générateurs de vapeur nouveaux ou de remplacement sont conçus, toute modification par rapport à la conception prouvée antérieurement génère des risques. Rien n’illustre mieux cette situation que l’arrêt permanent, en 2012, de la centrale nucléaire de San Onofre après l’exploitation pendant deux ans seulement de générateurs de vapeur de remplacement neufs. En fait, l’une des tranches a fait l’objet de nombreuse défaillance après onze mois de service seulement. Ces nouveaux générateurs de vapeur avaient remplacé les générateurs de vapeur originaux qui étaient demeurés en service durant environ 25 ans. Les défaillances étaient causées par des impacts entre les tubes en raison de l’instabilité fluide-élastique dans le plan dans les sections en U, un problème qui n’avait jamais auparavant touché les générateurs de vapeur en service. En effet, la pratique du moment était d’ignorer la situation qui pouvait représenter un mode de défaillance possible. La défaillance des générateurs de vapeur de remplacement s’est avérée une catastrophe pour l’industrie nucléaire, et l’Office of Inspector General a formulé de nombreuses critiques à l’endroit de la Nuclear Regulatory Commission (NRC) des États-Unis. Ni Southern California Edison, en tant qu’exploitant de la centrale, ni la NRC, en tant qu’organisme de réglementation national, n’avaient anticipé le risque associé à la conception et à l’exploitation des générateurs de vapeur de remplacement. Les directives de conception actuelles sont manifestement inadéquates et ne permettent pas de gérer des conceptions de pointe qui nécessitent du matériel dépassant notre expérience opérationnelle. Il est nécessaire de réaliser des études indépendantes afin de répondre aux besoins d’un organisme de réglementation national et d’accroître notre compréhension des effets des paramètres, comme la disposition et l’angle des tubes, l’espacement entre les tubes et les supports ainsi que le taux de vide, sur la réaction des études aux vibrations sous écoulement.

2.0 Objectifs
Les installations CANDU remplacent actuellement les générateurs de vapeur vieillissants (ce qui représente 48 générateurs de vapeur de remplacement à concevoir, à fabriquer et à installer d’ici 2028). Les générateurs de vapeur de remplacement sont différents des modèles originaux déjà autorisés. Le présent projet vise à acquérir les connaissances nécessaires et à fournir l’information essentielle afin de veiller à ce que le personnel de la CCSN puisse évaluer les conceptions des fournisseurs de manière éclairée. Le principal livrable du projet de recherche est un guide visant à faciliter l’évaluation réglementaire de la conception et de l’exploitation des générateurs de vapeur de remplacement destinés aux réacteurs CANDU.

3.0 Portée des travaux
L’entrepreneur doit mettre au point une modélisation et réaliser une étude expérimentale en laboratoire des vibrations sous écoulement des tubes dans un modèle transversal à l’échelle des générateurs de vapeur de type CANDU dans des conditions pour lesquelles les connaissances et les données actuelles sont inadéquates dans le contexte de la conception et de l’évaluation. Il doit utiliser de la vapeur d’eau ou un fluide caloporteur convenable plutôt qu’un mélange air-eau afin d’obtenir des conditions d’écoulement biphasé. Il doit porter une attention particulière aux conditions de taux de vide élevé (environ 90 %) dans lesquelles les défaillances surviennent généralement. La défaillance des tubes des générateurs de vapeur en service peut survenir dans les sections en U des tubes où le taux de vide est plus élevé et, par conséquent, où les vitesses sont grandes et l’amortissement du tube est faible. Ces sections n’ont pas été étudiées de manière adéquate, en particulier en ce qui a trait à l’instabilité fluide-élastique parallèle à l’écoulement. Il faut prendre des mesures rigoureuses afin de déterminer la réaction, la stabilité et l’amortissement des tubes dans le contexte du flux de masse et du taux de vide. Il faut réaliser des expériences afin d’étudier l’incidence des supports de méplats sur la stabilité parallèle et perpendiculaire à l’écoulement des tubes, y compris l’incidence de l’espacement entre les tubes et les supports.
Le personnel de la CCSN est conscient que la réalisation de telles expériences dans des conditions d’écoulement biphasé et à des taux de vide très élevés pourrait s’avérer difficile.
4.0 Tâches à réaliser

Examen de la documentation et des connaissances actuelles dans le domaine des vibrations parallèles à l’écoulement dans les générateurs de vapeur et les échangeurs de chaleur.
Examen de l’expérience opérationnelle relative aux générateurs de vapeur de remplacement déjà en service ainsi que des modifications à la conception apportées par rapport aux générateurs de vapeur originaux.
Cerner l’écoulement critique et les paramètres structuraux d’importance pour le déclenchement et la propagation des vibrations parallèles à l’écoulement.
Cerner la géométrie du réseau la plus susceptible au déclenchement des vibrations parallèles à l’écoulement et aux paramètres critiques (angles des tubes, géométrie du réseau, débit, espacement entre les supports et les tubes, taux de vide, etc.).
Mettre au point une modélisation à l’échelle des générateurs de vapeur CANDU afin de réaliser des essais expérimentaux sur les grappes.
Proposer une conception préliminaire aux fins d’installation expérimentale.

Mettre au point des instruments permettant de mesurer les paramètres critiques, le taux d’amortissement, la réponse en fréquence et en amplitude quadratique moyenne du tube ainsi que les paramètres thermohydrauliques.
4.8 Définir les matrices d’essais expérimentales.
4.9 Proposer un modèle de vibrations sous écoulement parallèles à l’écoulement.
4.10 Réaliser des expériences de référence fondées sur les données relatives à la réponse, au seuil de stabilité et à l’amortissement des tubes pour un éventail de taux de vide allant de 60 % à environ 95 %.

Analyser les résultats des expériences et les prévisions des modèles afin de valider ces derniers.
Réévaluer le plan d’essais, au besoin. Réaliser des expériences en vue d’étudier l’incidence des supports de méplats sur la stabilité. Quantifier l’incidence des supports de méplats selon des espacements précis.
Réaliser un ensemble d’expériences sur l’incidence de l’espacement sur la stabilité.

Établir un rapport présentant l’ensemble des résultats des expériences, une analyse ainsi que l’incidence sur la conception des générateurs de vapeur. Élaborer des directives facilitant l’évaluation réglementaire de la conception et du rendement des générateurs de vapeur de remplacement.