Étude de la mobilisation d'aérosols par flashage de jet liquide : application à la problématique des poussières au cours d'une perte de vide par entrée d'eau dans ITER (ICE)

​Benjamin Blaisot a soutenu sa thèse le 3 janvier 2020 à l'INST, Saclay

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Dans le cadre de la construction du réacteur de fusion ITER, l’IRSN mène des travaux de recherche pour évaluer les conséquences de différents scénarios d'accidents pouvant conduire à l'endommagement de la chambre à vide du tokamak et induisant potentiellement un risque de dissémination de matières radioactives dans l’environnement. Le scénario considéré dans le cadre de cette étude est la perte de vide par entrée d’eau ou ICE (Ingress of Coolant Event) dont les conséquences sont susceptibles d’entrainer la formation d’hydrogène générant ainsi un risque d’explosion.

Afin d'évaluer la quantité de poussières qui pourrait être mobilisée dans la chambre à vide du tokamak (dont dépend la quantité d’hydrogène produite) il est nécessaire d’identifier et de quantifier les mécanismes contribuant à la mise en suspension des particules à basse pression lors d’un scénario de perte de vide par entrée d’eau ou ICE. Lors d’un ICE, l’eau du circuit de refroidissement pénètre dans la chambre à vide à une température supérieure à son point d'ébullition en raison des conditions dites ITER like (basses pression et température) et subit une atomisation par effet thermodynamique dite flash.

Le problème de l’atomisation flash dans le vide et de son impact sur la mise en suspension de poussières est particulièrement complexe. L’atomisation flash relève en effet du domaine des écoulements diphasiques en présence de phases métastables du point de vue de la thermodynamique et de changements de phase extrêmement rapides. De plus, l’atomisation en fines gouttelettes et la vaporisation intense qui ont lieu au niveau de la brèche peuvent donner lieu à des effets de compressibilité forts pouvant se traduire par l’apparition d’écoulements diphasiques supersoniques, de chocs et tout cela toujours à la limite des milieux raréfiés.

Pour mener cette étude expérimentale, le développement d'un nouveau banc expérimental (FAAMUS, Flash Atomization and Aerosols Mobilization Under vacuum System) associé à une métrologie basée sur les techniques de PIV et d’ombroscopie haute cadence et adaptée à la caractérisation des écoulements diphasiques a fait l’objet de la première phase du travail de thèse. Des algorithmes de post-traitement ont également été développés pour extraire des données qualitatives et quantitatives sur la morphologie de l’écoulement diphasique et sur les vitesses des gouttes en sortie de brèche. Des expériences ont été réalisées afin d'étudier les phénomènes d'atomisation flash pour des conditions expérimentales représentatives de celles d’un ICE dans ITER ainsi que pour des conditions thermodynamiques élargies.

Dans les conditions dites ITER like, nous avons pu mettre clairement en évidence et décrire la détente supersonique du jet diphasique en sortie de brèche. C’est un écoulement complexe pour lequel nous avons pu également quantifier sa sensibilité à la nature du régime d’écoulement diphasique développé dans le circuit en amont de la brèche.

Les expérimentations effectuées ont permis d’obtenir l’évolution de la morphologie du spray ainsi que de la vitesse des gouttes produites sur une grande gamme de surchauffe. Ainsi, l’angle de spray atteint un angle de 150° tandis que la vitesse des gouttes dépasse les 60 m/s à forte surchauffe. L’évolution de ces caractéristiques n’est pas linéaire avec la surchauffe et dépend de nombreux paramètres géométriques et thermodynamiques.

Des expériences préliminaires de mise en suspension aéraulique de particules à basse pression par flashage de jet liquide ont été réalisées et laissent entrevoir de nombreuses perspectives sur la problématique du comportement des poussières lors d’un scénario d’ICE dans ITER.