Laboratoire d'accueil : Laboratoire d’étude de l’incendie et de développement de méthodes pour la simulation et les incertitudes (LIMSI)

Date de début de thèse : 01/10/2009

Nom du doctorant : Romain Bonhomme

Contexte et Motivations

Lors d’un accident grave survenant sur un réacteur à eau sous pression, un bain de corium (mélange des matériaux fondus du coeur et de la cuve) est susceptible de se former dans le puits de cuve. Le corium, encore chauffé par le dégagement de puissance résiduelle dû à la désintération des produits de fission, interagit alors avec les structures en béton qui le contiennent, et le bain érode peu à peu le radier ainsi que les parois latérales. Cette interaction s’accompagne de relâchements importants de gaz. Le bain est alors traversé par un flux de bulles.
Nous nous intéressons à une configuration probable du bain de corium dans laquelle deux phases liquides principales, l’une majoritairement oxyde et l’autre majoritairement métallique, se séparent pour atteindre une géométrie stratifiée. Ce phénomène a un impact majeur sur le déroulement de l’accident : la couche métallique, beaucoup plus conductrice, constitue un pont thermique entre la couche oxyde, dans laquelle est générée l’essentiel de la puissance, et les parois ; la progression de la cavité en est fortement affectée ainsi que, en conséquence, les temps et modes de percée du puits de cuve (percée latérale ou verticale).
Le flux gazeux influence grandement les transferts entre les deux phases liquides (modification des couches limites thermiques, changements topologiques de l’interface oxyde/métal avec entraînement éventuel du métal) pouvant accélérer l’ablation du béton dans l’une ou l’autre des directions, horizontale ou verticale. La quantification de ces échanges thermiques et massiques reste un problème ouvert préjudiciable à la fiabilité des simulations d’accident actuelles. Des expériences de nature semi-intégrale (mesure des flux moyens obtenus) sont menées (programme ABI), cependant leur interprétation et l’extrapolation au cas réacteur nécessite une meilleure compréhension des phénomènes élémentaires.
L’étude des échanges de masse et de chaleur entre deux phases liquides stratifiées lors du passage d’un flux de bulles fait l’objet depuis plusieurs années d’une approche par simulation numérique directe. Un modèle mathématique a été élaboré lors de la thése de Céline Lapuerta et un ensemble de schémas numériques qui devraient permettre son application au cas réacteur est en cours de développement dans le cadre de la thèse de Sebastian Minjeaud.
L’une des difficultés essentielles réside dans la validation de ce modèle. Certes, les solutions analytiques existantes dans les configurations statiques (lentille gazeuse piégée à l’interface de deux liquides) ont été recalculées avec succès. Mais la pertinence des prédictions dans les configurations d’intérêt pour le cas réacteur, où coexistent les effets hydrodynamiques et capillaires, reste à démontrer, ce qui passe par une confrontation à une base de résultats expérimentaux.
Or, dans ce domaine et en regard des contraintes posées par la validation d’outils de simulation directe, l’existant est notoirement insuffisant, tant par le nombre de configurations traitées que par les moyens de diagnostic mis en oeuvre.
L’objet du présent sujet est l’établissement et l’exploitation de résultats expérimentaux de référence sur la traversée d’une ou plusieurs bulles à travers une interface liquide-liquide en régime dynamique, à des fins d’une part de compréhension physique des mécanismes mis en jeux, et d’autre part de validation de logiciels de simulation num´erique directe.

Sujet

Un dispositif expérimental sera conçu et mis en place à l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT).
Le point de départ sera le travail de thèse de Julie Cranga , au cours duquel fut élaborée une veine d’essai associée à un procédé de prise de vues instantanées des interfaces. Ce dispositif sera amélioré et étendu. En particulier, le procédé d’injection devra permettre un contrôle précis du flux de bulles en termes de volume et de fréquence. De plus, les moyens de diagnostic seront considérablement étendus en adjoignant un système de Vélocimétrie par Image de Particules (PIV). Les difficultés posées par l’application de cette technique au présent contexte (petite taille des zones de mesure, reflexions interfaciales) seront abordées en s’appuyant sur l’expertise de l’IMFT dans ce domaine.
La mesure conjointe du champ de vitesse et de la position des interfaces est ici considérée comme essentielle pour l’étude couplée des effets hydrodynamiques et capillaires, spécialement la formation et l’évolution de films et de lignes triples encore aujourd’hui mal connues.
Un tel dispositif expérimental devrait permettre de faire varier :

• la taille des bulles ;
• les rapports de densité et de viscosité ;
• les trois tensions de surface entre paires de phases.

Il sera alors possible de confirmer/infirmer l’influence de ces paramètres sur différents comportements de bulles observés numériquement :

• piégeage dans l’interface liquide-liquide ;
• traversée avec ou sans entraînement de la phase lourde dans la phase légère ;
• formation de gouttelettes.

Par ailleurs, l’IMFT développe un code de calcul (appelé JADIM) permettant la simulation d’écoulements triphasiques par une méthode combinant un suivi en volume des interfaces sans reconstruction (VOF/Level Set), une prise en compte volumique des effets capillaires de type CSF et une discrétisation volume finis sur maillage décalé curviligne orthogonal. Cette approche est très différente de celle utilisée à l’IRSN, qui repose sur une modélisation par interfaces diffuses Cahn-Hilliard/Navier-Stokes et une discrétisation de Galerkin sur maillage éléments finis. Ces deux approches seront comparées à la lumière des résultats expérimentaux obtenus.
L’exploitation conjointe des observations expérimentales et des calculs numériques devrait permettre de dresser une cartographie originale des écoulements en fonction des paramètres d’influence.