L’ébullition nucléée est un mode d’échange thermique qui se caractérise par la formation d’un grand nombre de bulles sur une paroi chauffante. Elle se révèle être un mode d’échange bien plus efficace que la convection purement monophasique, notamment grâce à la vaporisation du liquide qui permet d’extraire une grande quantité d’énergie de la paroi. Au cours de transitoires lents (avec des temps d’évolution de l’ordre de la seconde), on peut modéliser le flux échangé ainsi que la production de vapeur à l’aide de modèles issues d’expériences réalisées en conditions quasi-statiques. En revanche, dans le cas où la température de paroi augmente ou diminue sur des temps caractéristiques de quelques millisecondes, les modèles généralement utilisés ne sont plus valables.

C’est par exemple le cas dans certains réacteurs de recherche qui peuvent subir, en cas de défaillance des systèmes de contrôle du réacteur, de très rapides excursions de puissance, menant à une augmentation de la température de gaine selon des rampes de plusieurs milliers de Kelvin par seconde. La résistance du combustible dans ces réacteurs est directement conditionnée par le refroidissement de sa gaine, tandis que l’apparition d’une phase vapeur permet de réduire la puissance du cœur du réacteur. La modélisation des échanges de chaleur et de la production de vapeur sont donc de première importance pour la sûreté du réacteur.

Cette thèse a donc pour objectif de modéliser l’échange thermique gaine-réfrigérant ainsi que la production de vide dans le cœur d’un réacteur de recherche. Des éléments de compréhension de ces phénomènes sont disponibles notamment dans les thèses [1,2] et des modèles ont été proposés au cours de la thèse [2]. Il s’agit désormais d’améliorer la modélisation de l’ébullition nucléée. Pour cela, une installation expérimentale du CEA permet d’étudier finement la formation d’une bulle dans un site de nucléation. Cette installation permettra de comprendre puis de modéliser l’effet transitoire dû au chauffage rapide de la paroi sur la taille de bulle, le temps de détachement et la fréquence de génération de bulles. Par une approche mécaniste et à l'aide d'hypothèses physiques, il s’agira ensuite de modéliser le flux échangé et le changement de phase à la lumière des modèles locaux précédents. L’intégration de ces modèles dans le code CATHARE3 permettra alors une validation à partir des résultats d’expériences de la littérature et d’anciens réacteurs expérimentaux. Cette thèse présente un fort intérêt académique comme industriel et permettra à l'étudiant de développer ses compétences sur le plan expérimental comme sur l'analyse physique et la construction de modèles, ce qui sera valorisable tout au long de sa vie professionnelle.

[1] Valentin Scheiff (2018). Etude expérimentale et modélisation du transfert de chaleur de l’ébullition transitoire. Thèse de doctorat, Université de Toulouse. https://www.theses.fr/2018INPT0145

[2] Jean-Marc Labit (2020), Modélisation multiphysique des transitoires d’insertion de réactivité et méthodologie de validation appliquée au réacteur CABRI. Thèse de doctorat, CEA - Université Grenoble-Alpes. https://www.theses.fr/2020GRALI043