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MATERIAUX 2010 – 18-22 octobre 2010 – Nantes, France Modélisation thermo-hydraulique d’un four de vitrification « In Can Melting » 1 2 3 Etienne Collomb , Armand Bonnetier , Philippe Gruber , Yves Du Terrail 4 1 CEA Marcoule, DEN/DTCD/SCDV/LDPV, BP 17171 - 30207 Bagnols-sur-Cèze Cedex France, [email protected] 2 CEA Marcoule, DEN/DTCD/SCDV/LDPV, BP 17171 - 30207 Bagnols-sur-Cèze Cedex France, [email protected] 3 CEA Marcoule, DEN/DTCD/SCDV/LDPV, BP 17171 - 30207 Bagnols-sur-Cèze Cedex France, [email protected] 4 SIMaP/EPM ENSEEG, BP 75 38402 Saint Martin d’Hères Cedex France, [email protected] RESUME: Le procédé de vitrification « In Can Melting » en alimentation liquide est particulièrement adapté pour le traitement de déchets spécifiques en faible quantité et à petit débit. L'alimentation du mélange fritte-solution est réalisée dans un pot de fusion métallique non agité à usage unique chauffé à environ 1100 °C par résistances électriques. Le verre de confinement est ensuite solidifié directement dans le pot. Les échanges thermiques (conduction, convection et rayonnement) et le mouvement du verre sont simulés en trois dimensions afin d'apprécier au mieux l'homogénéité thermique du système et donc du matériau lors des différentes phases de fonctionnement du four (alimentation ou veille). A l’échelle technologique, l’homogénéité du verre est vérifiée par des analyses chimiques et des observations microscopiques de prélèvements effectués à différents endroits dans le pot de fusion. Au niveau de la simulation, l’homogénéité du matériau est appréciée par l’étude du champ des vecteurs vitesse et du gradient de température. MOTS-CLES : Modélisation, fusion, vitrification, homogénéité, thermo-hydraulique I INTRODUCTION Dans le cadre de la vitrification des déchets nucléaires spécifiques en faible quantité et à petit débit, le CEA Marcoule développe un procédé de vitrification directe « In Can Melting ». L’unité de vitrification est constituée d’un pot de fusion chauffé à environ 1100 °C par un four cloche équipé de résistances électriques et directement alimenté en solution et en fritte de verre. Le verre de confinement est ensuite solidifié dans le pot, sans coulée contrairement aux procédés classiques de vitrification des déchets nucléaires. Les schémas de l’installation du procédé et du four sont présentés en figure 1 et 2. figure 1 : Schéma de procédé de vitrification « In Can Melting » en vitrification directe, plateforme DIVA, CEA Marcoule MATERIAUX 2010 – 18-22 octobre 2010 – Nantes, France figure 2 : Schéma du four de vitrification L’objectif de cet article est de mettre en place une modélisation thermohydraulique 3D du four de fusion basée sur le logiciel Fluent. Cette modélisation se limite à la modélisation du pot de fusion. II LES PHENOMENES THERMIQUES A l’intérieur du bain de verre, les phénomènes thermiques sont régis par l’équation de la chaleur : ρ cp T ρ c pV. T .(-λT) P t (1 ) avec: ρ: masse volumique du verre (kg.m 3 ) c p : capacité calorifiqu e du verre (J.kg 1.K 1 ) V : vitesse du verre (m.s -1 ) P: puissance produite dans le verre (W.m 3 ) λ: conductivité thermique du verre (W.m 1.K 1 ) A la surface du bain de verre, les échanges de chaleur ont deux origines : - La convection entre l’interface et l’air dans le pot - Le rayonnement entre l’interface et les parois intérieures du pot dont le flux est donné par la loi de Stefan-Boltzmann : ray Φ paroi lat σ S paroi lat F paroi latsurf (T paroi lat Tsurf ) 4 4 avec σ cste de Stefan Bolzmann 5,67 10 8 W.m 2 .K 4 S paroi lat: surface des parois du pot en contact avec l'air (m 2 ) F paroi latsurf : facteur de forme entre les parois et la surface libre T paroi lat: température des parois du pot (K) Tair: température de l'air (K) MATERIAUX 2010 – 18-22 octobre 2010 – Nantes, France La chauffe des résistances est modélisée par une condition limite de convection sur les parois latérales du pot. conv Φ paroi lat h S paroi ext (T paroi ext T ) avec h :coefficient de convection (W.m 2 .K 1 ), défini par une fonction (UDF) dépendante de la hauteur S paroi ext : surface d'échange des parois extérieures du pot (m 2 ) T paroi: température des parois extérieures du pot (K) T : température des résis tan ces (K) La digestion de l’alimentation est modélisée par une source interne de puissance négative en surface du bain de verre. La figure 3 résume les phénomènes thermiques. figure 3 : Phénomènes thermiques à l’intérieur du pot III MODELISATION Le calcul thermohydraulique est réalisé en 3D et en régime stationnaire sous le logiciel Fluent ©, il résout les équations de chaleur (1), de continuité (2) et de mouvement (3) : .(ρ v ) 0 (2) .(ρ v v ) p . τ ρ g (3) Les échanges radiatifs sont calculés par le solveur s2s qui ne prend pas en compte l’absorption du milieu traversé (l’air). Les propriétés des matériaux (masse volumique, conductivité, capacité calorifique et viscosité) sont dépendantes de la température. Différentes phases de fonctionnement du four (veille et alimentation) sont simulées. MATERIAUX 2010 – 18-22 octobre 2010 – Nantes, France IV RECALAGE PAR RAPPORT AUX DONNEES EXPERIMENTALES La température au bord du pot est mesurée expérimentalement en deux points au contact du pot, l’objectif est de recaler les données de modélisation afin de retrouver ces températures. Plusieurs tests de modélisation sont réalisés en faisant varier la fonction définissant le coefficient de convection h au bord du pot. La figure 5 représente la température en paroi extérieure du pot en fonction de la hauteur après que le coefficient de convection soit recalé. figure 5 : température (°C) au bord du pot en fonction de la position z (m) V RESULTATS Des simulations sont réalisées pour trois phases d’alimentation et trois phases de veille. Afin de valider le modèle, un bilan thermique sur l’ensemble du four est effectué en prenant en compte la puissance fournie par les résistances au système complet (calculée expérimentalement), la puissance dissipée à l’extérieur du four (calculée expérimentalement) et la puissance fournie au pot (obtenue par simulation). Le bilan thermique est acceptable avec environ 95 % de la puissance fournie par les résistances récupérée par le système. La modélisation permet l’observation des phénomènes thermohydrauliques dans le bain de verre en phase d’alimentation et en phase de veille. MATERIAUX 2010 – 18-22 octobre 2010 – Nantes, France Les figures 6 et 7 représentent la cartographie de la température et le champ des vecteurs vitesse pour une phase d’alimentation. figure 6 : Alimentation - Cartographie de la température (°C) Un gradient de température est observé. Il est provoqué par l’alimentation qui refroidit l’interface verre/air et les parois latérales chauffant le verre. figure 7 : Alimentation - Champ des vecteurs vitesse colorées par le module de la vitesse (m/s) Des mouvements thermoconvectifs de vitesse élevée au centre du pot et dus au gradient de température sont présents dans le verre. MATERIAUX 2010 – 18-22 octobre 2010 – Nantes, France Les figures 8 et 9 représentent la cartographie de la température et le champ des vecteurs vitesse pour une phase de veille. figure 8 : Veille - Cartographie de la température (°C) On peut noter que le gradient de température est plus faible par rapport à la phase d’alimentation et l’homogénéité du verre est meilleure. figure 9 : Veille - Champ des vecteurs vitesse colorées par le module de la vitesse (m/s) La vitesse maximale dans le verre est faible par rapport à la phase d’alimentation. Le tableau 1 regroupe les températures moyenne (± l’écart-type), minimale, maximale et la vitesse maximale dans le verre pour la phase d’alimentation et la phase de veille. Température moyenne (°C) Température minimale (°C) Température maximale (°C) Vitesse maximale (mm/s) Phase d’alimentation 1047 ± 29,6 910 1106 2 Phase de veille 1088 ± 21,4 1029 1112 20 Tableau 1 : Température et vitesse dans le verre MATERIAUX 2010 – 18-22 octobre 2010 – Nantes, France VI CONCLUSION La modélisation thermohydraulique 3D limitée au pot de fusion a permis de simuler les phases d’alimentation et les phases de veille du four de vitrification en régime stationnaire et en recalant les données de simulation par rapport aux données expérimentales. On peut noter que les cellules de convection induites en phase d’alimentation présentent des vitesses plus importantes qu’en phase de veille (respectivement 20 mm/s et inférieures à 2 mm/s). Les températures moyennes dans le verre en phase d’alimentation et en phase de veille sont respectivement de 1050 °C et 1090 °C pour une température moyenne en paroi de 1100 °C. A terme une modélisation en régime instationnaire et complète du four, notamment avec le rayonnement des résistances sur les parois du pot, est envisagée afin d’étudier : la phase de démarrage four froid pot vide, la phase de refroidissement pot plein four à l’arrêt, des modes dégradés. References:
