Laboratoire d'accueil : Laboratoire d'études et de simulation des accidents majeurs (LESAM)

Date de début de la thèse :  01/10/2010

Nom du doctorant : Paul Sapin

Contexte

Un accident grave (événement hautement improbable, mais déjà survenu une fois aux Etats-Unis) peut résulter d'une suite d'événements qui aboutit à la fusion partielle du coeur du réacteur. Pour éviter un rejet de produits radioactifs dans le confinement et, par suite, dans l'environnement, il faut refroidir Le plus rapidement possible les matériaux du coeur pour éviter de casser la cuve.
L'injection d'eau dans un coeur dégradé se produit en fonction de l'instant de son déclenchement, à travers des zones du coeur ayant des degrés de dégradation variables ce qui conduit à des écoulements 3D. La compréhension et la modélisation de ce phénomène sont primordiales pour estimer les chances de succès d'un renoyage, c'est-à-dire de la mise en contact de l'eau avec des structures surchauffés et de leur refroidissement consécutif. Pour traiter le renoyage, l'IRSN a développé une modélisation avancée des phénoménes d'ébullition en milieu poreux à géométrie non homogène. Cette modélisation résulte de deux approches complémentaires: d'une part un modèle moyen à non équilibre local (vitesses, températures) pour décrire l'écoulement, d'autre part une détermination analytique ou numérique des propriétés effectives intervenant dans le modèle moyen. Pour une description précise de l'écoulement diphasique à petite échelle (quelques particules), un outil de simulation numérique directe a été développé, en s'appuyant sur une méthode à interface diffuse. Récemment, l'IRSN a également lancé un programme expérimental (PEARL) dont l'objectif est de permettre la validation du modéle moyen sur un dispositif 2D de renoyage de particules.

Définition du sujet

La modélisation de l'ébullition en masse dans un lit de débris est un enjeu très important dans le cadre des études de sûreté nucléaire.
Cependant, les modèles disponibles sont basés en partie sur des extensions essentiellement empiriques de lois développées dans d'autres contextes. De plus, leur validation n'est que partielle en raison notamment d'un manque de données expérimentales, en particulier pour les milieux poreux très perméables comme les lits de débris.
Dans le contexte, la thèse proposée a pour finalité d'améliorer la compréhension de l'ébullition en masse et de contribuer à l'amélioration des modèles en combinant expériences sur milieux modèles et simulations de type réseau de pores.
On étudiera deux situations de base; le cas d'un milieu poreux initialement saturé en liquide chauffé progressivement et le cas du renoyage (invasion d'un milieu poreux chaud initialement sec par un liquide plus froid).
Les expériences seront effectuées sur des milieux modèles bidimensionnels formés par des réseaux aléatoires de cylindres confinés entre deux plaques, au moins une des ces plaques étant transparentes. Plusieurs techniques sont possibles pour réaliser ces milieux, dont les techniques de gravure de plaque (wafer) de silicium, qui offrent une grande flexibilité en termes de choix de micro géométrie ainsi que de taille de pore. Une caractéristique originale importante du dispositif envisagée est que chaque cylindre pourra être chauffé individuellement avec contrôle précis du flux de chaleur imposé. Ce dispositif permettra notamment des visualisations directes de la distribution des phases au sein du poreux. Des informations sur le champ de température pourront être obtenues à partir de technique de thermographie infrarouge. La possibilité d'accéder à la structure des champs de vitesse à partir de techniques PlV pourra être étudiée pour certaines configurations d'écoulement.
Ce type de dispositif, complété éventuellement par des expériences spécifiques complémentaires, pourra être aussi utilisé pour l'étude de problématiques particulières comme celle par exemple du renoyage d'un milieu poreux chaud peu perméable.
Du point de vue simulation, on tentera de développer des modèles de type réseau de pores, c'est-à-dire permettant la simulation à l'échelle des milieux poreux considérés dans les expériences avec prise en compte explicite des hétérogénéités locales. Ceci sera fait selon deux approches: D'une part, en étendant les modèles existants pour les systèmes peu perméables de façon à pouvoir simuler des situations caractérisées par des nombres capillaires plus grands. D'autre part, on examinera spécifiquement le cas des milieux très perméables en s'appuyant sur les résultats des expériences et sur les connaissances disponibles concernant les écoulements diphasiques en milieu très perméables, éventuellement des simulations numériques directes sur quelques pores, outils développés lors de thèses précédentes).