Couplage entre transfert de masse et hydrodynamique diphasique : investigation expérimentale et validation/calibration de modèles
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 avec fusion du cœur, un bain de matière en fusion, appelée corium, peut se former en fond de cuve. La composition du bain peut évoluer au cours du temps. Le bain de corium n'est pas homogène et peut se stratifier en plusieurs phases immiscibles. Avec l'évolution de la composition globale du corium, les propriétés des différentes phases évoluent. Ainsi l'ordre de stratification vertical des phases peut changer, ce qui induit un réarrangement vertical des phases. Lors de ce réarrangement une phase traverse l'autre sous forme de gouttes. L'ordre des phases ainsi que leurs mouvements sont de première importance car ils influencent grandement les flux thermiques transmis à la cuve. Mieux comprendre ces phénomènes permets d'améliorer la sûreté et le design autant des réacteurs actuels que futures.
Des premières modélisations ont déjà été réalisées, mais elles manquent de validation et de calibration. Les expériences prototypiques sont difficiles à mettre en place et à court terme aucune n'est prévue. Le présent sujet de thèse propose de combler ce manque en réalisant une étude expérimentale du phénomène à l'aide d'un système simulant à base d'eau permettant une instrumentation locale et de grandes campagnes d'essai. Le but est de valider, calibrer les modèles existants, voire en développer de nouveaux, avec en ligne de mire la possibilité de capitaliser ces résultats dans la plateforme logiciel PROCOR, qui est utilisée pour réaliser des estimations de probabilité de percement de la cuve d'un réacteur. Le dispositif expérimental serait construit et opéré au laboratoire LEMTA de l'université de Lorraine où le doctorant serait détaché. En termes d'expériences, deux cas seront à étudier, le cas goutte seule, et le cas stratifié avec formation de goutte via instabilités de Rayleigh-Taylor.
La thèse sera principalement expérimentale avec un volet utilisation de code pour le calage, la validation et pourra inclure un volet modélisation. Elle se déroulera dans son intégralité au laboratoire LEMTA à Nancy. Le doctorant profitera ainsi des compétences du LEMTA en ce qui concerne le développement de dispositifs expérimentaux simulants, les transferts dans les fluides et la métrologie. Il sera intégré à un environnement dynamique composé de chercheurs et d'autres doctorants. Le candidat devra avoir des connaissances en phénomènes de transferts (de masses notamment), ainsi qu'une appétence certaine pour les sciences expérimentales.
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).