Voir le sujet - Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse UMR

Etude de l’induction électromagnétique dans un bain multiphasique (conducteur
métallique liquide, conducteur ionique liquide, gaz). Application au chauffage du
corium
Electromagnetic induction in a multiphase pool (liquid metallic conductor, liquid ionic
conductor, gas). Application to induction heating of corium.
Résumé
Le corium, qui résulte de la fusion du cœur lors d’un accident nucléaire grave peut être
considéré comme un bain à haute température constitué de deux liquides immiscibles, le
premier étant un conducteur métallique, le second un conducteur ionique, éventuellement
traversés d’un bullage de gaz. Les deux phases liquides ont des propriétés physiques très
distinctes. Lorsqu’on soumet ce bain multiphasique à un champ électromagnétique, il se
produit un couplage fort entre l’induction électromagnétique et la thermohydraulique. La
convection due au dégagement de chaleur dans une partie du bain ainsi que les forces de
Lorentz peuvent modifier la répartition spatiale des phases et donc les champs
électromagnétiques.
L’objectif de la thèse est d’analyser ces phénomènes couplés en développant une
modélisation adaptée, dans le but de proposer des solutions permettant d’optimiser un
dispositif de chauffage par induction et d’estimer la puissance électrique injectée dans le
bain multiphasique.
Abstract
During a severe nuclear accident, the core melts and forms corium that can be considered as
a high temperature pool with two non-miscible liquids (one is a metallic conductor, the other
– oxydes - is an ionic conductor) and possibly gas. The liquid phases present very different
physical properties. Appling an electromagnetic field to this multiphase pool results in a high
coupling between induction physics and thermal hydraulics. Convection induced by heat
release in a section of the pool and Lorentz forces can modify the spatial distribution of the
different phases and the electromagnetic fields.
The objective of the Ph.D is to analyse these coupled phenomena by developing an
appropriate modeling in order to be able to propose optimized solutions for induction heating
devices and to estimate the power injected in the pool.
Context industriel
Cette étude s’inscrit dans le cadre de la recherche expérimentale menée au Laboratoire
d’essais pour la Maîtrise des Accidents graves du CEA Cadarache. Un accident grave dans
un réacteur nucléaire mène à la fusion du cœur, formant ainsi le corium, liquide composé du
combustible nucléaire, de sa gaine et de matériaux de structure. La connaissance de
l’évolution du corium est cruciale pour la compréhension du déroulement de l’accident, pour
des propositions de mitigation, en préventif ou en gestion de crise. Le laboratoire mène des
recherches expérimentales en corium prototypique (avec oxyde d’uranium) sur la plateforme
PLINIUS, ainsi que des travaux de modélisation et simulation numérique. Pour la
modélisation du chauffage inductif, le laboratoire possède l’outil COMSOL Multiphysics mais
le doctorant devra étudier s’il y a des logiciels plus pertinents pour son étude (et applicables
en 3D).
La réalisation d’expériences avec du corium prototypique contenant de l’uranium appauvri
implique d’une part de maintenir ce corium en température (environ 2000 K) pendant
plusieurs heures afin de pouvoir simuler la puissance radiologique résiduelle du corium réel,
d’autre part d’être en mesure de fabriquer ce corium, c’est-à-dire de fondre des mélanges de
matériaux à des températures de l’ordre de 2500 à 3000 K. Le chauffage inductif est le
moyen utilisé au LMA qui permet aujourd’hui de répondre au premier objectif. Il est utilisé
pour les essais d’interaction corium-béton VULCANO (programme VULCANO avec EDF,
SUEZ et IRSN ; projet PIA RSNR MIT3BAR suivi par l’ANR et en partenariat avec AREVA et
EDF). C’est aussi le moyen qui semble aujourd’hui le plus à même de permettre le chauffage
de plusieurs centaines de kilogrammes (projet PLINIUS-2). La détermination précise de la
puissance déposée dans le corium (localisation spatiale et amplitude) est donc très
importante pour la définition, la conduite, l’analyse et la compréhension des essais futurs
mais aussi pour une possible réinterprétation des essais passés.
Sujet
On considère un bain à haute température constitué de deux liquides immiscibles, le premier
étant un conducteur métallique, le second un conducteur ionique (oxydes fondus),
éventuellement traversés d’un bullage de gaz. Ce bain peut se trouver soit dans une
configuration où les liquides non miscibles sont macro-ségrégés, soit sous forme d’émulsion.
Lorsqu’on soumet ce bain à un champ électromagnétique (milieu fluide multiphasique), il se
produit un couplage fort entre l’induction électromagnétique et la thermohydraulique.
La modélisation du chauffage par induction a déjà été réalisée pour différentes applications
(traitement thermique de surface ou mise en forme de pièces métalliques, creuset froid ou
couplage direct sur un bain monophasique dans un creuset).
Les deux phases liquides immiscibles ont des propriétés physiques très distinctes
notamment en termes de densité, tension de surface, viscosité et conductivité électrique
(typiquement 3 à 4 ordres de grandeurs entre la conductivité d’un métal et d’un oxyde
fondu). La convection due au dégagement de chaleur dans une partie du bain ainsi que les
forces de Lorentz peuvent modifier la répartition spatiale des phases et donc les champs
électromagnétiques.
L’objectif de la thèse est d’analyser ces phénomènes couplés en déterminant les
mécanismes physiques mis en jeu qui prennent en compte les effets électromagnétiques et
thermiques couplés avec l’hydrodynamique. L’objectif serait à terme de proposer des
solutions permettant d’optimiser un dispositif de chauffage par induction et d’estimer la
puissance électrique injectée dans le bain multiphasique. Ce projet de thèse est en amont de
l’application industrielle. Ce travail de recherche repose sur l’étude de liquide modèles
ioniques et métalliques :
1. Etude expérimentale et modélisation d’un liquide ionique (représentatif de l’oxyde
fondu)
a) Etude bibliographique de la convection et du couplage induction / convection.
b) Mise en place d’un banc expérimental de convection sous induction avec
caractérisation des écoulements par vélocimétrie par images de particules
(PIV).
c) Simulation numérique avec le code JADIM (prise en compte du terme de
chauffage volumique (équations de Maxwell), résolution des équations de la
magnétohydrodynamique) et comparaison avec les résultats expérimentaux.
2. Etude expérimentale et modélisation d’un liquide métallique
a) Mise en place d’une expérience de convection sous induction et mise au point
d’une technique de mesure des champs de vitesse (par exemple débitmétrie à
distorsion de flux, vélocimétrie par speckle ultrasonore (USV), vélocimétrie par
Doppler ultrasonore (UDV) ….
b) Simulation numérique avec le code JADIM et comparaison avec les résultats
expérimentaux.
3. Etude expérimentale et modélisation d’un liquide diphasique. Cas d’une suspension
métallique dans un liquide ionique sous induction
a) Modélisation de la distribution spatiale du champ magnétique - effet
d’écrantage par la phase métallique.
b) Déconvolution des effets convectifs et de magnétohydrodynamique (force de
flottabilité et force de Lorentz).
c) Influence de la fraction volumique en métal liquide.
Le lieu principal de la thèse est l’IMFT à Toulouse avec des séjours de plus ou moins longue
durée au CEA Cadarache.
Encadrement
CEA Cadarache :
Jean-François Haquet [email protected] (04 42 25 35 19) / Viviane Bouyer
[email protected] (04 42 25 29 16).
Université
Philippe Tordjeman [email protected] (05 34 32 28 58), Wladimir Bergez, Rémi
Zamansky, Université Toulouse, INPT, Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse
(IMFT).

Download Report