Le travail proposé est dédié aux verrous technologiques associés à la famille des réacteurs nucléaires très innovants dits à sels fondus (ou Molten Salt Reactor, MSR).
Dans un MSR à boucles, le sel combustible transporte avec lui des précurseurs de neutrons retardés, qui génèrent des fissions hors du cœur. Dans ces conditions, pour faciliter le pilotage du réacteur, le volume de sel combustible hors cœur doit être minimisé. Cette contrainte impose une puissance volumique échangée supérieure à la puissance volumique du cœur au niveau des échangeurs intermédiaires, qui extraient la puissance du cœur.
Le projet ISAC développe un MSR à neutrons rapides, dont le cœur présente une puissance volumique de 250 MW/m3. Cette puissance volumique, associée aux spécificités du sel combustible, représente un objectif ambitieux pour les technologies d’échangeurs dites classiques. L’une des solutions proposée pour maximiser la puissance volumique de l’échangeur intermédiaire consiste à adopter de nouveaux motifs d’échange. Les géométries TPMS (Triply Periodic Minimal Surface), assemblées pour constituer des canaux d’échange 3D, constituent des candidats intéressants. La construction de tels échangeurs est permise par les procédés de fabrication additive.
La bibliographie a mis en évidence une certaine émulation sur ce type d’échangeurs, mais peu d’études portent sur des échanges thermiques liquide/liquide en régime turbulent. Au Laboratoire de Conception et d’Innovation Technologique (LCIT), des géométries adaptées aux spécificités des MSR, ont été sélectionnées par calculs CFD. Sur la base de ces résultats, des maquettes d’échangeurs TPMS en acier inoxydable sont en cours de fabrication.
Le sujet de thèse propose aujourd’hui une validation expérimentale des corrélations d’échange thermique et de coefficient de frottement propres aux géométries TPMS. Le calcul CFD permettra de développer le programme expérimental. L’élaboration d’essais en fluide simulant s’appuiera sur une équivalence en nombre de Reynolds et nombre de Prandtl. Les verrous principaux du travail de recherche proposé tiennent à la nature 3D des canaux et la compréhension de l’influence de la rugosité dans des canaux obtenus par fabrication additive. Enfin, les résultats expérimentaux obtenus permettront de développer les modèles CFD.
La compacité des échangeurs de chaleur est un enjeu récurrent dans le développement de tout système de conversion d’énergie. Les corrélations validées au cours de ce Doctorat permettront de dimensionner d’autres échangeurs TPMS pour diverses applications. De plus, le travail proposé ouvre des perspectives professionnelles en particulier vers les centres de recherche, les départements de R&D dans l’industrie et les unités de conception de systèmes innovants.
Un stage de master 2 est proposé par l’équipe en complément de la thèse.