Étude expérimentale et modélisation des pertes de pression lors du renoyage d'un lit de débris

Ce travail de thèse porte sur l'étude des pertes de pression pour des écoulements monophasiques et diphasiques inertiels au travers de milieux poreux. Son objectif est d'aider à la compréhension et à la modélisation des transferts de quantité de mouvement à l'intérieur de lits de particules, en lien avec la problématique de la gestion d'un accident grave dans un réacteur nucléaire. En effet, lors d'un tel accident, la dégradation du coeur du réacteur peut amener celui-ci à s'effondrer pour former un lit de débris, que l’on peut assimiler à un milieu poreux à haute température et dégageant de la chaleur. Ce travail de thèse s’inscrit dans un projet de recherche en sûreté nucléaire visant à prédire la refroidissabilité d’un lit de débris par injection d'eau, ou « renoyage ».

Une étude expérimentale des pertes de pression pour des écoulements monodimensionnels monophasiques et diphasiques à froid est proposée dans des situations représentatives du cas réacteur, en termes de granulométrie, de formes de particules et de vitesses d’écoulement. Les expériences réalisées apportent un complément important aux données existantes, en permettant notamment d'explorer les domaines d'écoulements diphasiques avec nombres de Reynolds liquides non nuls, tout en mesurant le taux de vide, ce qui est essentiel pour une modélisation.

Des modèles prédictifs pour les pertes de pression à l'intérieur d'écoulements mono-phasiques et diphasiques au travers de lits de particules sont établis à partir des structures d'équations obtenues par une prise de moyenne volumique des équations de conservation locales. L'observation des écoulements monophasiques montrent que des lois de type Darcy-Forchheimer avec une correction quadratique en vitesse de filtration sont à même de prédire les pertes de pression avec une précision supérieure à 10 %. Une étude numérique a montré que ce résultat est applicable pour un lit désordonné de particules peu rugueuses. L'étude des écoulements diphasiques montre qu'une structure d’équations de type Darcy-Forchheimer généralisée, incluant des termes supplémentaires pour prendre en compte les effets inertiels et les frottements interfaciaux, permet de reproduire le comportement des pertes de pression dans cette situation. Un nouveau modèle est proposé, et comparé aux données expérimentales et aux modèles utilisés dans les codes de simulation des accidents graves.