Éjection de gaz et de grains suite à la rupture d'un crayon de combustible nucléaire : modélisation de la dynamique

En condition accidentelle, et plus particulièrement suite à une insertion de réactivité, le combustible nucléaire d’un réacteur, initialement confiné par un gainage cylindrique métallique, peut entrer en contact avec le fluide caloporteur. Les conséquences de l’interaction qui en résulte sont étudiées par l’Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire (IRSN). La violence de l’interaction dépend notamment fortement de la cinétique de cette mise en contact. La compréhension des phénomènes gouvernant cette cinétique reste limitée, l’observation expérimentale directe du phénomène étant inenvisageable. Ce travail de thèse a consisté en l’étude de cette dynamique. Pour modéliser cette dynamique nous avons étudié le débit de vidange d’un milieu granulaire monodisperse en fonction de plusieurs paramètres prépondérants (géométrie du réservoir ; taille, forme et position de l’orifice ; débit gazeux au sein du milieu granulaire ; taille des grains). Ces études ont été réalisées sur un banc expérimental dédié et ont permis de mettre en évidence plusieurs lois d’échelle pour le régime stationnaire. En support à l’interprétation de ces expériences, différentes hypothèses de modélisation de l’écoulement (population discrète de particules, rhéologie d’un milieu continu) ont été confrontées aux résultats expérimentaux à l’aide de simulations numériques. Ainsi la loi de dépendance classique du débit de vidange d’un silo avec un orifice en bas a été étendue aux silos avec un orifice latéral notamment en clarifiant les contributions relatives aux dimensions verticale et horizontale. Par ailleurs, il a été établi qu’un écoulement de gaz augmente significativement le débit de vidange du granulaire. Ceci peut être modélisé en prenant en compte le gradient de pression imposé par le gaz sur les grains dans la zone de l’orifice en plus de la gravité. Cet effet dépend fortement de la perméabilité du milieu et introduit donc une dépendance du débit à la taille des grains, contrairement au cas du silo ouvert. En outre, une première étude numérique a été menée dans le cas de la vidange d’un milieu granulaire bidisperse. Elle met en évidence une loi de mélange permettant de prédire le débit. Les éléments fondateurs de la modélisation d’une vidange de grains et de gaz au sein d’un réservoir avec un orifice latéral ont pu ainsi être mis en place.