Soutenance de thèse de Zhenhai ZOU

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.

We consider a hypothetical scenario of reactivity initiated accident in a nuclear power plant. The violence of the so-called fuel-coolant interaction phenomena, that we arbitrarily assume to occur during the accident, depends strongly on the flow rate of particles out of the gas pressurized rod in which they were initially confined. The aim of this thesis was to study how this discharge rate is driven by the internal geometry and the pressurized gas. Fuel particles were experimentally simulated by a dense granular material discharging out of a confined and pressurized silo. The controlled parameters were the particle size, density and shape, the outlet size and the gas pressure, whereas the granular and gas flow rates and the pressure along the silo are measured. Discrete and continuous numerical simulations were performed on similar configurations. We focused firstly on the discharge of a rectangular silo of thickness W, with a lateral outlet of size D and an inclined bottom with a parametric angle. For a small inclination angle, the granular flow orientation depends on the aspect ratio D/W due to the wall friction, whereas a large inclination angle fully determines this orientation. These results were successfully reproduced by numerical simulations. Secondly, we focused on two configurations with pressurized gas: a case with constant gas overpressure at the top of the silo and a more transient case for which an initial larger overpressure initiates the rupture of an orifice. The granular flow rate increases significantly with the gas flow, especially for the finer particles and the large overpressures. In both cases, the flow rate scales with a modified Beverloo law where the gas pressure gradient near the outlet acts as an additional driving force. The pressure gradient is well described by a Forchheimer resistance law through the granular medium. We therefore propose a quasi-steady model for the transient description of the granular flow rate. The two configurations were successfully reproduced by numerical simulations based on a continuum multiphase model. For the larger flow rates, instabilities of the granular jet were found to be initiated by pressure oscillations in the outlet region. The presence of water surrounding the silo only acts through an additional hydrostatic pressure effect.