Modélisation de la condensation en film pour les systèmes passifs: de l'expérimentation aux outils CFD et système
Avec leur fiabilité accrue, les systèmes passifs sont aujourd’hui envisagés dans les réacteurs innovants. En particulier, le SAfety COndenser (SACO), permet d’extraire la puissance résiduelle de façon passive vers le circuit secondaire. La vapeur provenant du Générateur de Vapeur (GV) est condensée dans un échangeur vertical immergé, puis les condensats retournent au GV par circulation naturelle. Il apparait alors primordial de prédire précisément la condensation dans les outils de calcul scientifique.
CATHARE-3 est le code thermo hydraulique à l’échelle système de référence en France. Ce dernier est utilisé pour les études de sûreté des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP). Il utilise un modèle de condensation en film validé sur les tests à effets séparés COTURNE. Représentatifs de la condensation en mode caloduc dans les REP, ils présentent des écoulements majoritairement gouvernés par la gravité et, en partie, par le frottement interfacial. Cependant, ce modèle standard n’est plus valide pour le domaine de fonctionnement du SACO, dominé lui par le frottement interfacial.
Aussi, les travaux récents sur le SACO ont montré une surestimation systématique de la condensation par CATHARE-3. L’objectif principal de la thèse est d’améliorer le modèle de CATHARE-3, en s’appuyant d’une part sur des données expérimentales nouvelles (projet européen EASI-SMR) et d’autre part en utilisant des méthodes de remontée d’échelle à partir de neptune_cfd (code de calcul CFD).
Modélisation de la condensation et solidification des gaz de l’air sur une paroi froide : application à la simulation de la perte de vide d’isolement d’un réservoir d’hydrogène liquide
Une utilisation de plus en plus répandue de l’hydrogène liquide (LH2), notamment pour la mobilité décarbonée, soulève des enjeux en matière de sûreté étant donné son caractère fortement inflammable. Un des accidents majeurs des systèmes cryogéniques est la pénétration d'air suite à une rupture de l'enveloppe externe d'un réservoir isolé sous vide. Lors d’un tel événement, les gaz de l'air se liquéfient et se solidifient sur les parois froides, provoquant un fort apport de chaleur et une brutale surpression du système. Les organes de protection et la conduite de décharge doivent être dimensionnés de manière à évacuer le fluide cryogénique en toute sûreté et éviter tout risque d'explosion. L’objectif de cette thèse est de développer une modélisation permettant de simuler ce genre de scénario avec le code CATHARE. Un effort particulier sera fourni pour modéliser l’échange de chaleur par liquéfaction et solidification à travers la paroi du réservoir. Ces travaux s’appuieront notamment sur la campagne expérimentale de perte de vide d’isolement qui va être réalisée en LH2 par le CEA dans le cadre du projet ANR ESKHYMO. Par ailleurs, l’usage d’un outil de simulation à échelle locale comme neptune_cfd pourra aider à la construction de modèles dans CATHARE par remontée d’échelle. La méthodologie développée pourra finalement être utilisée pour la simulation d’un système représentatif d’une installation industrielle.
Les anhydrides d’alditols biosourcés, architectures moléculaires modulables pour une approche durable de l’extraction d’uranium
Les procédés actuels d'extraction de l'uranium en milieux sulfurique, phosphorique et nitrique, bien que performants et justifiant leur application à grande échelle, nécessitent des améliorations pour accroître leur efficacité et réduire leur impact environnemental. Ce projet doctoral a pour objectif d'améliorer ces performances en se concentrant sur la phase d'extraction liquide-liquide. La proposition consiste à transférer sélectivement l’uranium, extrait après concassage, broyage et lixiviation des roches, vers une phase huileuse contenant un ligand lipophile adapté au lixiviat utilisé. L'ambition est ici de développer de nouvelles structures d’extractants analogues aux trialkylamines (procédé AMEX), aux trialkylphosphines et diesters phosphoriques (procédé URPHOS), et aux trialkylphosphates (raffinage). Le doctorant synthétisera ainsi des extractants amphiphiles chiraux, dérivés d’anhydrides bicycliques d’alditols biosourcés (isosorbide, isomannide et isoidide), qu’il évaluera pour leur affinité vis-à-vis de l'uranium et leur sélectivité face aux ions compétiteurs. Il analysera ensuite les mécanismes moléculaires et supramoléculaires de ces nouveaux extractants (coordination, agrégation) à l’aide de méthodes de pointe, comme l’UV, l’IR, la RMN multinoyaux, la diffusion de rayons X et la diffusion de neutrons. La formation doctorale permettra au doctorant de s'intégrer facilement dans les milieux académique ou industriel, notamment dans les domaines du cycle du combustible nucléaire, de la chimie séparative et de la formulation. Les recherches se dérouleront au sein du laboratoire LTSM de l'Institut de Chimie Séparative de Marcoule, reconnu pour son expertise en chimie et physico-chimie des extractants pour l'hydrométallurgie. Le doctorant bénéficiera d'un encadrement de qualité et d'un environnement de travail collaboratif, entouré de doctorants, post-doctorants et d’ingénieurs, dans un cadre serein et stimulant.
Modélisation multiphysique d'un réacteur de métallothermie chauffé par induction bifréquence
Le recyclage de l’uranium extrait du combustible usé (uranium de retraitement ou URT), présente un fort intérêt stratégique tant sur le plan de la fermeture et de l’économie du cycle que sur celui de la souveraineté nationale. La France s’est engagée dans le développement d’une filière de retraitement/valorisation de cet URT impliquant toute une chaine de production s’articulant autour de la technologie de l’enrichissement laser SILVA.
Dans ce contexte, le CEA est en charge de la mise au point de l’ensemble des procédés de cette chaine, notamment des étapes de conversion de l’oxyde d’uranium en uranium métal requis pour l’enrichissement laser. Pour ce besoin, le Laboratoire d'étude des technologies Numériques et des Procédés Avancés (LNPA) étudie la transposition du procédé historique de métallothermie vers un réacteur de type creuset froid. Ce four inductif bifréquence doit notamment assurer la fusion d’une charge biphasique constituée d’un laitier fluorure et d’un métal produit in-situ par la réaction métallothermique.
Adossées à un programme pluriannuel de développement technologique sur des installations pilotes inactives échelle réduite, des études de modélisation numérique du réacteur sont entreprises afin de consolider le changement d’échelle de travail et de permettre l’optimisation des paramètres du système avant déploiement de la technologie en actif sur de l’uranium appauvri pour des essais de validation. L’objectif du travail de thèse proposé est d’assurer le développement du modèle multiphysique magnéto-thermo-hydraulique (MTH) du four de métallothermie en creuset froid.
fragmentation d'un jet liquide contre un obstacle : application aux feux de sodium pulvérisés
Les feux de sodium pulvérisés (FSP), engendrés par une fuite dans une canalisation sodium, constituent un risque à considérer pour la sûreté des RNR-Na. Les principales conséquences de ces feux sont la montée en pression et en température des locaux impactés ainsi que la génération d’un terme source chimique susceptible d’être relâché dans l’environnement.
Le phénomène clé de l’étude des FSP est la fragmentation du jet de sodium liquide contre un obstacle (paroi verticale ou plafond). Ce mode de fragmentation doit être précisément examiné en portant une attention particulière sur la population de gouttes générée lors de l’impact.
Pour cela, le LESC (CEA-Cadarache) prépare une boucle expérimentale mettant en jeu un jet d’eau impactant une surface horizontale ou verticale. Le travail de thèse comprendra :
- La réalisation des essais de fragmentation de jet en faisant varier le diamètre du jet, sa vitesse et son orientation ;
- L’analyse des images de deux caméras rapides à l’aide d’un logiciel CEA et d’extraire les distributions en taille et en vitesse des gouttes ;
- le proposition d'un modèle représentant la fragmentation du jet sur obstacle et la population de gouttes résultante ;
- l'implémentation de ce modèle dans le logiciel CEA de CFD canoP ;
- la validation du modèle à l’aide de l’analyse des images des essais.
Effet d’hétérogénéités structurelles sur les écoulements de fluide à travers une paroi en béton armé
Le bâtiment réacteur représente la troisième barrière de confinement dans les centrales nucléaires. Il a pour rôle de protéger l’environnement en cas d’accident hypothétique en limitant les rejets vers l’extérieur. Sa fonction est donc étroitement liée à son étanchéité qu’il doit conserver durant toute sa durée de fonctionnement. Classiquement, l’estimation du taux de fuite s’appuie sur une bonne connaissance de l’état hydrique et des potentiels désordres mécaniques, associés à des lois de transfert (comme la perméabilité) dans une démarche de simulation chaînée (thermo-)hygro-mécanique. Si le comportement mécanique de la structure est aujourd’hui globalement maîtrisé par le recours à des outils de simulation avancés, des progrès restent nécessaires pour améliorer la compréhension et la quantification des écoulements. C’est particulièrement le cas en présence d’hétérogénéités (fissures, nid de cailloux, reprise, armatures, câbles, etc.) qui représentent autant de situations pouvant perturber localement la perméabilité. C’est dans ce cadre que se place le sujet de thèse proposé. Il s’agira d’améliorer la compréhension et la représentation des écoulements à travers une structure en béton armé en s’appuyant sur une démarche combinant essais expérimentaux et modélisation. Une première analyse permettra de définir un plan d’expérience optimisé selon plusieurs configurations (chemins de fuite, type d’écoulement, température, saturation…) qui sera ensuite mise en œuvre durant la thèse. Les résultats seront analysés afin de caractériser empiriquement l’influence du chemin de fuite sur les lois macroscopiques classiquement utilisées (loi de Darcy). Une approche de simulation plus fine sera ensuite développée, en s’appuyant la méthode d’éléments finies. L’objectif sera de reproduire les résultats expérimentaux et les étendre au comportement des enceintes de confinement, améliorant ainsi les outils de modélisation actuellement disponibles.
Modélisation et simulation de la fusion et de la fissuration du béton en cas d’interaction corium béton
Dans certaines situations accidentelles, il est important d’évaluer les conséquences induites par un chargement thermique sévère sur le comportement mécanique de structures en béton, notamment vis-à-vis d’une fissuration potentielle. C’est particulièrement le cas dans l’étude de l’interaction corium – béton. Dans le cadre de l’évaluation des conséquences d’un accident grave hypothétique, une fusion du cœur peut être considérée, jusqu’à un percement de la cuve. Le mélange en fusion, appelé corium, se répand alors dans le puits de cuve et entre en contact avec le béton. Divers phénomènes peuvent se produire conduisant à une ablation partielle du matériau. Compte tenu des enjeux en termes de protection de l’environnement, il est indispensable de disposer d’outils de modélisation permettant de représenter les mécanismes en jeu. Dans le cadre de cette thèse, il s’agira de développer une méthodologie de simulation complète pour représenter les conséquences mécaniques de l’interaction corium-béton, en y intégrant notamment une modélisation à l’échelle locale pour représenter l’ablation du matériau cimentaire. Une attention particulière sera notamment portée au modèle de fissuration du béton (développement d’un modèle adapté au chargement thermique sévère, critères d’ablation du béton) et au chaînage thermique-mécanique-écoulement des outils pour la représentation d’une pénétration du corium dans les fissures. Ce travail sera réalisé en collaboration entre le CEA SACLAY (disposant de premiers outils de simulation du comportement thermomécanique) et le CEA Cadarache (disposant des compétences numériques et expérimentales autour de l’interaction corium-béton).
Modélisation des transitions d’écoulements diphasiques dans le formalisme hybride continu/dispersé
Dans l'industrie nucléaire, la simulation d’écoulements diphasiques peut nécessiter la modélisation de poches de gaz et/ou de panaches de bulles plus ou moins déformées. Ces écoulements transitionnent depuis des écoulements à bulles, dits dispersés, vers des régimes séparés, dits continus avec grandes interfaces, et inversement. Le défi est de modéliser les transitions entre ces régimes pour mieux comprendre les phénomènes complexes qui en découlent. Actuellement, on utilise deux approches différentes : statistique pour les bulles et la reproduction des grandes interfaces pour les poches et bulles très déformées. Cependant, la combinaison de ces méthodes dans un cadre unifié reste un verrou scientifique à résoudre.
Le travail de thèse proposé vise à développer une méthode capable de modéliser les transitions entre phases continue et dispersée ainsi que leur coexistence. Cela impliquera l'analyse de données expérimentales, le développement d'outils numériques dans le code NEPTUNE_CFD, et la validation à travers des cas académiques et industriels. Les applications incluent la modélisation des bulles de Taylor, l'étude des transitions dans la maquette METERO H et l'analyse des écoulements dans des faisceaux de tubes. Les résultats attendus permettront d'améliorer les simulations de ces écoulements complexes dans des contextes industriels.