Contribution à l'étude expérimentale d'un choc thermique au sein du dioxyde de carbone

Experimental study of a thermal shock in carbon dioxide

• Auteur / Autrice : Jean Muller
• Direction : Marc Clausse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Thermique et énergétique
• Date : Soutenance le 19/10/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône) - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon / CETHIL
• Jury : Président / Présidente : Catherine Colin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Clausse, Catherine Colin, Marie-Christine Duluc, Philippe Lafon, Michel Gradeck, Romuald Rullière
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marie-Christine Duluc, Philippe Lafon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ébullition

Dioxyde de carbone

Contraintes thermiques

Évaporation

Transfert de chaleur

Thermique

Mots clés libres

Thermique

Choc thermique

Changement de phase

Ebullition

Vaporisation

Surpression

Ecoulement diphasique

Transfert de chaleur

Thermodynamique

Echange thermique

Interaction thermique

Réacteur nucléaire

Thermics

Thermal shock

Phase change

Ebullition

Vaporization

Overpressure

Two-Phase flow

Heat transfer

Thermodynamics

Thermal Interaction

Nuclear reactor

Résumé

Ce travail de thèse s’intéresse à la phénoménologie du choc thermique entre un corps solide chaud et un fluide pouvant s’évaporer. Pour des conditions d’intense transfert thermique, on observe des phénomènes mécaniques violents associés à des pics de pression et des mises en mouvement du fluide du fait de son expansion. Dans le cadre de l’étude de la sûreté nucléaire des réacteurs à eau pressurisée, ils pourraient résulter d’une hypothétique libération du combustible chaud hors du crayon lors d’un scénario d’accident de réactivité. Le travail considère l’étude expérimentale et théorique de ce type d’interaction à l’aide d’un banc d’essai permettant de déposer une quantité d’énergie importante dans du CO2 liquide pressurisé. On a ainsi pu relier la génération d’un pic de pression à la création de vapeur sur un élément chauffé très rapidement, phénomène qui a été modélisé à l’aide d’une équation faisant le bilan entre la dynamique de croissance de bulle et la dynamique d’accroissement de pression de ladite bulle à volume constant. Après le pic de pression, on observe une génération massive de vapeur et un écoulement à bulles. L’analyse de l’ensemble du transitoire a été menée sur une large gamme de conditions d’essai et les tendances de l’intensité des phénomènes ont été étudiées en fonction de nombres sans dimension traduisant l’évolution des propriétés du fluide et la quantité d’énergie déposée.

This PhD work focuses on the thermal shock during the contact between a hot solid and colder fluid. Intense heat transfers from the solid to the liquid could generate strong mechanical response due to the expansion of the fluid and its vaporization. For nuclear power plants safety studies, such thermal shock could be encountered during the hypothetical release of fuel within coolant during a so-called reactivity induced accident. In this work the experimental and theoretical study of such thermal interaction is considered through a specific test section. This test section permits to transfer a high amount of energy (500 J) toward pressurized liquid carbon dioxide in a small amount of time (5 ms). The experiments performed revealed how pressure transients are related to the vapour creation and dynamics. Such transient has been modelled by a differential equation which compares the dynamics of the vapour growth and the dynamics of pressure increase in the vapour at constant volume. Following the first pressure transient, a massive generation of vapour has been observed, as well as a characteristic bubbly flow. A large number of experiments has been performed over a wide range of test conditions. These conditions allowed varying the energy deposited in the fluid and its properties that has been expressed thanks to three non-dimensionnal numbers. The intensity variations of the resulting thermal shock phenomena have been studied thanks to these non-dimensionnal numbers.