Ecole Doctorale

SCIENCES POUR L'INGENIEUR : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique

Spécialité

« Sciences pour l'ingénieur » : spécialité « Acoustique »

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

Ultrasons,Contrôle non destructif,Eléments finis,Simulation,Sodium liquide,Réacteur nucléaire,

Keywords

Ultrasounds,Non destructive testing,Finite element,Simulation,Liquid sodium,Nuclear reactor,

Titre de thèse

Etude de la propagation des ultrasons dans un milieu fluide en vue de la surveillance en fonctionnement d'un réacteur nucléaire à caloporteur sodium
Study of ultrasound wave propagation in a heterogeneous fluid medium for the monitoring of an operating sodium-based nuclear reactor

Date

Tuesday 22 May 2018 à 14:00

Adresse

Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique CNRS LMA UMR 7031 4 impasse Nikola Tesla 13013 Marseille Grand Amphithéatre

Jury

Directeur de these M. Dimitri KOMATITSCH CNRS Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique, Marseille
Examinateur M. Stéphane LANTERI INRIA Sophia Antipolis
Examinateur M. Antoine GERSCHENFELD CEA Saclay
CoDirecteur de these M. Joseph MOYSAN Aix-Marseille Université
Rapporteur M. Mounsif ECH-CHERIF EL-KETTANI Université du Havre
Rapporteur M. Michel DARMON CEA Saclay
Examinateur Mme Dominique HABAULT CNRS Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique, Marseille

Résumé de la thèse

Le projet ASTRID, un réacteur nucléaire français de 4ème génération refroidi au sodium, est actuellement en cours de développement par le CEA (Energies Alternatives et Commission de l'Energie Atomique). Dans ce projet, le développement de techniques de surveillance pour un réacteur nucléaire en cours d'exploitation est identifié comme une question de mesure pour l'élargissement de la sécurité de l'usine. L'utilisation de la technique de mesure par ultrasons (par exemple la thermométrie, la visualisation d'objets internes) est considérée comme un outil d'inspection puissant des réacteurs rapides refroidis au sodium, y compris ASTRID en raison de l'opacité du sodium liquide. A l'intérieur d'un circuit de refroidissement de sodium, l'hétérogénéité du milieu se produit en raison de l'état d'écoulement complexe, en particulier lorsque le réacteur est en fonctionnement, et les effets de cette hétérogénéité sur la propagation des ondes acoustiques ne sont pas négligeables. Ainsi, il est nécessaire de réaliser des expériences de vérification pour le développement de technologies de composants, alors que ce genre d'expériences utilisant du sodium liquide peut être des expériences à relativement grande échelle. C'est pourquoi les méthodes de simulation numérique sont essentielles avant d'effectuer des expériences réelles, ou en plus du nombre limité de résultats expérimentaux. Bien que diverses méthodes numériques aient été appliquées pour modéliser une propagation d'onde dans le sodium liquide, la communauté ne dispose toujours pas d'une méthode d'onde complète vérifiée pour l'hétérogénéité tridimensionnelle. De plus, à l'intérieur d'un coeur de réacteur, c'est-à-dire une région couplée acousto-élastique complexe, il est également difficile de simuler de tels problèmes avec des procédés classiques à base de rayons. L'objectif de cette étude est de contribuer à la résolution de ces deux points en appliquant une méthode d'éléments spectraux tridimensionnels qui est une méthode d'éléments finis d'ordre supérieur qui peut ainsi modéliser nos cibles (c'est-à-dire le liquide de refroidissement à l'intérieur du réacteur nucléaire) plus précisément que les méthodes de simulation classiques. Nous étudierons d'abord le potentiel de développement de la thermométrie ultrasonique dans un environnement de sodium liquide fluctuante similaire à celui présent dans un réacteur rapide refroidi au sodium et étudierons si et comment la thermométrie ultrasonique pourrait être utilisée pour surveiller le flux de sodium à la sortie du réacteur coeur. Nous obtiendrons des variations de temps de vol dans le cas d'une petite différence de température de 1% dans le cas d'un gradient de température statique ainsi qu'en présence d'une fluctuation aléatoire du champ de température dans le flux turbulent. Nous allons vérifier que de petites variations de température dans le flux de sodium, par ex. environ 1% de la température du sodium, c'est-à-dire environ 5 degrés en Celsius, peut avoir une signature acoustique mesurable de façon fiable. Pour ce calcul, le domaine cible sera modélisé comme un processus aléatoire bidimensionnel et gaussien appliqué pour générer une fluctuation de température dans le sodium liquide. Afin d'étudier l'hétérogénéité tridimensionnelle et des champs de température plus réalistes dans le milieu, nous effectuerons une seconde étude numérique. Pour l'hétérogénéité du sodium, on appliquera un champ de température quadridimensionnel (trois dimensions spatiales et une dimension temporelle) calculé par la dynamique des fluides computationnelle avec une Simulation Large-Eddy au lieu d'utiliser une méthode conventionnelle moins coûteuse et classique par exemple un processus aléatoire gaussien). Nous montrerons qu'à partir de cette expérience numérique tridimensionnelle, nous pourrons analyser les effets tridimensionnels de l'hétérogénéité réaliste dans le milieu de propagation sur les ondes acoustiques dans le sodium liquide.

Thesis resume

The ASTRID project, a French sodium-cooled nuclear reactor of 4th generation, is under development at the moment by Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA). In this project, development of monitoring techniques for a nuclear reactor during operation are identified as a measure issue for enlarging the plant safety. The use of ultrasonic measurement technique (e.g. thermometry, visualization of internal objects) is regarded as a powerful inspection tool of sodium-cooled fast reactors, including ASTRID due to the opacity of liquid sodium. Inside of a sodium cooling circuit, heterogeneity of the medium occurs because of complex flow state, especially when the reactor is in operation, and then the effects of this heterogeneity on acoustic wave propagation are not negligible. Thus, it is necessary to carry out verification experiments for developments of component technologies, while such kind of experiments using liquid sodium may be relatively large-scale experiments. This is why numerical simulation methods are essential before performing real experiments, or in addition to the limited number of experimental results. Though various numerical methods have been applied for modeling a wave propagation in liquid sodium, the community still does not have a verified full-wave method for three-dimensional heterogeneity. Moreover, inside of a reactor core i.e. a complex acousto-elastic coupled region, it is also difficult to simulate such problems with conventional ray-based methods. The objective of this study is to contribute to solving these two points by applying a three-dimensional spectral element method, which is a high-order time-domain finite element method which may thus model our targets (i.e. sodium coolant inside of nuclear reactor) more accurately than classical simulation methods. We will first study the development potential of ultrasonic thermometry in a liquid fluctuating sodium environment similar to that present in a Sodium-cooled Fast Reactor, and thus investigate if and how ultrasonic thermometry could be used to monitor the sodium flow at the outlet of the reactor core. We will obtain clear time-of-flight variations in the case of a small temperature difference of one percent in the case of a static temperature gradient as well as in the presence of a random fluctuation of the temperature field in the turbulent flow. We will verify that small temperature variations in the sodium flow of e.g. about 1% of the sodium temperature, i.e. about 5 degrees in Celsius, can have a reliably-measurable acoustic signature. For this calculation, the target domain will be modeled as a two dimensional and Gaussian random process applied for generating a fluctuation of temperature in liquid sodium. In order to study three-dimensional heterogeneity and more realistic temperature fields in the medium, we will carry out a second numerical study. For heterogeneity of liquid sodium, a four-dimensional temperature field (three spatial and one temporal dimension) calculated by computational fluid dynamics with a Large-Eddy Simulation performed by another CEA team will be applied instead of using a cheaper and more classical conventional method (e.g. a Gaussian random process). We will show that based on that three-dimensional numerical experiment we will be able to analyze the three-dimensional effects of realistic heterogeneity in the propagation medium on acoustic waves in liquid sodium.