Étude de l'éjection de grains hors d'un cylindre pressurisé

​Zhenhai Zou a soutenu sa thèse le 16 octobre 2019, à l'IUSTI, Marseille.

​Nous considérons un scénario hypothétique d’accident initié par une insertion de réactivité dans une centrale nucléaire entrainant la rupture de la gaine d’un crayon de combustible. La violence du contact entre le combustible et le fluide caloporteur dépendrait alors fortement du débit de fragment combustible sortant hors du crayon qui est initialement confiné avec le gaz pressurisé.

Ce travail de thèse a consisté à étudier cette dynamique en la modélisant par la vidange d’un milieu granulaire hors d’un silo pressurisé. Les paramètres de contrôle sont la taille, la densité et la forme des particules ainsi que la taille de l’orifice et la pression initiale d’air imposée dans le silo, tandis que les débits d’air et du milieu granulaire et la pression d’air le long du silo sont mesurés. Les résultats expérimentaux ont été confrontés avec des simulations numériques discrètes et continues avec une rhéologie visco-plastique pour le milieu granulaire. Afin d’étudier le rôle du confinement dans la géométrie d’intérêt, nous nous sommes d’abord concentrés sur la vidange d’un silo rectangulaire d’épaisseur W, avec une sortie latérale de taille D et un fond dont nous varions l’inclinaison. Pour un faible angle d’inclinaison, l’orientation de l’écoulement granulaire (et donc le débit) est contrôlée par la friction pariétale et dépend du rapport d’aspect de l’orifice D/W, tandis qu’un grand angle d’inclinaison détermine entièrement cette orientation. Nous nous sommes ensuite intéressés au rôle du gaz pressurisé d’abord en imposant une surpression d’air constante en haut du silo puis en considérant un cas plus transitoire dans lequel une surpression initiale importante provoque la rupture de l’orifice. Le débit granulaire augmente significativement avec le débit d’air, d’autant plus que les particules sont fines. Dans les deux configurations, le débit granulaire est mis à l’échelle par une loi de Beverloo modifiée où le gradient de pression du gaz près de l’orifice agit comme une force motrice supplémentaire. De plus le gradient de pression est bien décrit par une loi de résistance de Forchheimer à travers le milieu granulaire.

Nous proposons donc un modèle quasi-stationnaire pour la description transitoire du débit granulaire. Les deux configurations ont été reproduites avec succès par la simulation continue basée sur un modèle multiphasique. Pour les plus forts débits, nous observons une instabilité du jet granulaire, initiée par des oscillations de pression dans la zone près de l’orifice. Nous avons varié le milieu environnant et montré que la présence d’eau autour du silo n’agit que par un effet de pression hydrostatique supplémentaire.