Les réacteurs de 4ème génération à neutrons rapides refroidis au sodium constituent une solution pérenne à la crise énergétique et au réchauffement climatique. Dans la conception de ce type de réacteurs, la cuve comporte une surface libre sous ciel d’argon destiné à réduire les transferts thermiques vers le couvercle. Sous certaines conditions, ce gaz peut être entraîné dans la partie basse du réacteur au travers de vortex formés en raison de l’aspiration des pompes. Ce phénomène peut induire la formation d’une poche de gaz, dont le relâchement dans les assemblages combustibles est susceptible d’engendrer des problèmes de sûreté, en particulier en augmentant localement la puissance neutronique. Il est alors essentiel de pouvoir caractériser les conditions opératoires pour lesquelles des vortex peuvent se former et apparaître à la surface. Il s’agit d’un défi pour les codes de calculs actuels. Des expérimentations ont donc été menées pour étudier l’occurrence de l’entraînement de gaz dans diverses configurations. Néanmoins, il reste encore un travail d’analyse important pour comprendre clairement la phénoménologie à l’origine de la formation des vortex.

La thèse proposée a ainsi pour objectif l’étude des vortex à la surface de la maquette MICAS, représentative à l’échelle 1/6 du projet de réacteur ASTRID. Le sodium étant complexe à utiliser pour les expérimentations, il est avantageusement remplacé par l’eau, qui présente à température ambiante des propriétés thermohydrauliques similaires à celles du sodium à 400°C. Le but est alors de caractériser les vortex en termes d’occurrence, de diamètre, de profondeur et de vitesse afin d’apporter des données nécessaires à leur modélisation et leur prédiction dans les codes de calcul.

Le travail de thèse se décomposera, hors la partie bibliographique, en 3 parties : le développement du système de caractérisation basé sur de l’imagerie, la caractérisation des vortex suivant différentes configurations (géométriques et opératoires) et l’intégration des données dans un modèle. A priori le système de caractérisation des vortex sera basé sur un réseau de caméras à grand champ, placées sous différents angles, mais d’autres solutions pourront être envisagées.

Le laboratoire d’accueil est le LTHC (Laboratoire de Thermo-Hydraulique du cœur et des Circuits) de l'institut IRESNE du CEA Cadarache (France), qui dispose déjà de la maquette et des moyens de mesures (caméras rapides, système de mesure de vitesse…) nécessaires pour mener les expérimentations, disponibles dès l’arrivée du doctorant. Ils pourront être complétés par d’autres outils, en fonction du système de caractérisation développé lors de la thèse. Le développement numérique se fera en collaboration avec une équipe du CEA Saclay, qui développe le code TrioCFD (https://triocfd.cea.fr). Enfin une ouverture vers l’international pourra être envisagée par l’intermédiaire d’une collaboration avec l’agence japonaise JAEA.