Compaction et écoulement des milieux granulaires cohésifs assistés par vibrations : application au remplissage des moules de presse

Compaction and flow of cohesive granular media assisted by vibrations : application to filling press molds

• Auteur / Autrice : Jean-Eric Mathonnet
• Direction : Maxime Nicolas, Blanche Dalloz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et Physique des Fluides
• Date : Soutenance le 25/10/2016
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille ; 2000-....)
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Rossignol
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Sornay
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Khashayar Saleh, Olivier Bonnefoy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contraintes (mécanique)

Vibrations

Milieux granulaires

Réacteurs nucléaires -- Cinétique

Métallurgie des poudres

Mots clés libres

Compaction

Écoulement

Vibration horizontale

Milieu granulaire

Poudre cohésive

Poudre d’actinides

Compaction

Flow

Horizontal vibration

Granular medium

Cohesive powder

Actinides powder

Résumé

Dans le cadre du projet ASTRID, le procédé de fabrication du combustible nucléaire par métallurgie des poudres, pour les RNR, est revisité dans le but d’être simplifié. En particulier, nous cherchons à supprimer l’étape de granulation mécanique de la poudre qui lui confère un bon comportement à l’écoulement. La problématique, est d’arriver à faire s’écouler spontanément et rapidement une poudre, à travers un orifice par lequel elle ne s’écoule pas naturellement. Par ailleurs, la poudre alterne entre des phases d’écoulement et de non-écoulement.Pour garantir l’écoulement de la poudre à travers le moule de presse, nous appliquons des vibrations horizontales. Les vibrations permettent de faire s’écouler la poudre et d’atteindre le débit requis par les cadences de fabrication. Toutefois, elles ont également le défaut, lors des phases de non-écoulement, de compacter la poudre et de retarder les futurs écoulements. Tout l’art du remplissage des moules de presse assisté par vibrations consiste à maîtriser le caractère ambivalent des vibrations.L’évolution singulière de la compacité des poudres d’actinides, lors de la phase de non écoulement, nous a amené à définir un modèle stochastique unidimensionnel de compaction. La confrontation des résultats de simulation, avec les lois empiriques de compaction, a permis d’identifier le sens physique des paramètres d’ajustement des lois empiriques. Nous avons aussi proposé une nouvelle loi d’évolution de la compacité à deux exponentielles étirées. Cette nouvelle loi rend compte, non seulement de la cinétique de compaction des poudres d’actinides mais également de l’ensemble des résultats que nous avons trouvé dans la littérature.

In the framework of the ASTRID project, the nuclear fuel production process by powder metallurgy, for Fast Neutron Reactors, is revisited in order to be simplified. In particular, we seek to remove the mechanical granulation step of the powder which gives a good flow behavior during the filling of press molds. The aim is to reach a spontaneous and quick powder flow through a hole in which the powder does not flow without external energy. Furthermore, the powder alternates between flow phases during the filling of press molds, and non-flow phases during the compaction and ejection of the pellet.We hence apply horizontal vibrations to ensure the flow of the powder through the press mold. The vibrations help the powder to flow and increase the production rates. However, they have the disadvantage to compact the powder and delay the future flows, during the non-flow phases. The art of filling the press mold assisted by vibrations is to master / control the ambivalent nature of the vibrations.The remarkable packing fraction evolution of actinides powders, during the non-flow phases, allows us to define a simple 1D stochastic model to understand the compaction kinetics. The comparison of the stochastic model with the empirical compaction laws found in the literature helps us to identify the physical meaning of fitting parameters proposed by the empirical models. Furthermore, we have also proposed a new compaction law with two-stretched exponentials. This new law not only reflects the compaction kinetics of actinides powders, but also of all the compaction data we found in the literature.