Compréhension locale de l’interface corium-béton par expérimentation
Dans le contexte de la transition énergétique et de la place cruciale du nucléaire dans un mix énergétique décarboné, comprendre, puis atténuer les conséquences de tout accident conduisant à fusion, même partielle, du cœur d’un réacteur représente une direction de recherche impérative.
Lors d’un accident grave avec fusion du cœur, l’amalgame de matériaux issus de la fusion du cœur, ou corium, peut interagir avec le béton du radier de la centrale. La méconnaissance des phénomènes physiques locaux et interfaciaux lors de l’interaction corium-béton (ICB) a conduit à l’élaboration de différents outils internationaux de simulation. Aucun n’a réussi à expliquer les récentes observations sur la centrale accidentée de Fukushima Daiichi. Il s’avère donc crucial d’améliorer les outils de simulation de l’ICB.
Ainsi, ce sujet de thèse a pour objet l’étude expérimentale, détaillée et locale, de l’interface corium/béton avec du corium prototypique (uranium appauvri). Pour cela, le candidat élaborera un dispositif d’essai qui sera introduit dans le four inductif VITI de la plateforme PLINIUS dédiée à l’étude des accidents graves sur le centre de Cadarache. Après la qualification du dispositif expérimental, des essais locaux d’interaction corium béton dans VITI seront réalisés sur différents types de béton (dont un échantillon de Fukushima) et avec différents coriums, permettant une approche incrémentale par effets séparés. L’ablation sera caractérisée via la perte de masse et le relâchement d’hydrogène. L’interface sera aussi caractérisée après rapide retrait du corium. Les échantillons seront également étudiés aux rayons X (e.g. tomographie). Suivant l’avancement des travaux et la compréhension de la phénoménologie de l’ICB, un modèle pourra être développé, puis intégré dans un outil de simulation.
Le travail de thèse se déroulera conjointement dans les laboratoires d’expérimentation et de modélisation des accidents graves de l’institut IRESNE de Cadarache, dans un environnement de recherche au meilleur niveau international pour l’étude des phénomènes multiphysiques à très haute température. Ce travail pourra aussi s’enrichir des travaux recherche réalisés dans le cadre de l’ANR IMMOC, en partenariat avec des universitaires (CNRS Laboratoire Navier, AMU-CNRS Madirel…).
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.
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.
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.