Soutenance de thèse de DERANLOT Sacha
Titre de thèse
Modélisation et simulations thermohydrauliques d'écoulements turbulent pour les concepts de refroidissement des composants face au plasma
Thermalhydraulic modelling and simulations of turbulents flows for cooling concepts of plasma facing components
Résumé de la thèse
Les enjeux énergétiques actuels reposent sur l'épuisement progressif des énergies fossiles et sur leur rôle majeur dans le réchauffement climatique. L'augmentation continue de la demande énergétique, liée à la croissance démographique et industrielle, accentue cette tension. Le recours massif aux énergies fossiles entraîne dérèglements climatiques et catastrophes environnementales. Les énergies bas carbones constituent des alternatives, mais leur intermittence limite leur déploiement massif. Le nucléaire, déjà privilégié en France, offre une production continue et décarbonée. Deux voies existent : la fission (maîtrisée) et la fusion (en développement). La fusion par confinement magnétique du plasma suscite un intérêt croissant, mais les composants face au plasma (CFP) subissent des flux thermiques extrêmes (plusieurs MW.m^(-2)). Ils doivent dissiper efficacement la chaleur via un refroidissement actif (eau sous pression et haute température) et résister à de fortes contraintes thermomécaniques. Leurs limites sont fixées pour garantir leur intégrité mécanique, un dépassement entraîne perte de performance, fissuration ou fusion locale. Si les concepts actuels répondent aux besoins des machines opérationnelles existantes (e.g. WEST) ou en développement (e.g. ITER), les futurs réacteurs exigeront de nouveaux matériaux et schémas de refroidissement pour gérer des flux de chaleur plus élevés. L'optimisation des CFP et l'évaluation des marges de sécurité nécessitent une analyse fine des écoulements dans les canaux de refroidissement intégrés au sein de ces composants.
Le travail de thèse a donc porté sur la simulation CFD (Computational Fluid Dynamics) thermohydraulique d'écoulements d'eau en conditions représentatives de la fusion (turbulents, monophasique ou diphasique avec ébullition sous-refroidie) dans un canal chauffé anisotropiquement. La première partie se concentre sur la présentation des CFP et l'état de l'art des simulations CFD associées. Il en ressort que les approches RANS couplées à des modèles diphasiques de type Eulérien ou VOF apparaissent adaptées aux conditions de la fusion. La deuxième partie porte sur les campagnes expérimentales menées durant la thèse sur la plateforme de tests à hauts flux HADES (CEA Cadarache). Elles avaient comme buts d'obtenir une meilleure compréhension de la physique s'opérant dans deux concepts de refroidissement, à savoir un « Tube lisse » et un « Hypervapotron », et d'obtenir des données expérimentales afin de les comparer ultérieurement à des résultats numériques. Un résultat marquant est que la perte de charge diminue avec l'intensification du régime diphasique dans l'Hypervapotron. La dernière partie est consacrée aux résultats de simulations CFD sous Ansys Fluent, logiciel communément utilisé par la communauté fusion. Les cas étudiés ont été progressivement complexifiés (tubes verticaux puis horizontaux, régimes turbulents). Le modèle RPI s'est montré pertinent pour les écoulements verticaux mais limité pour les écoulements horizontaux (difficultés de convergence et précision). Pour un cas issu de la littérature (écoulement horizontal à ébullition sous-refroidie dans un tube lisse), une calibration fine du maillage et des paramètres numériques ont permis des résultats physiquement cohérents, malgré une persistance d'erreurs d'un point de vue de la thermique. Une comparaison DNS/RANS a également été menée pour un tube lisse et un tube à nervure (représentatif d'un refroidissement complexe type Hypervapotron). À faible Reynolds, des écarts notables existent entre les approches, accentués pour le tube à nervure. À fort Reynolds, les limites numériques restreignent la DNS, et la convection mixte n'est pas bien reproduite par RANS. Toutefois, les simulations donnent des tendances exploitables : la comparaison avec les résultats expérimentaux monophasiques de la campagne expérimentale menée pour le « Tube lisse » montre une erreur moyenne d'environ 10 %.
Thesis resume
Current energy challenges are based on the gradual depletion of fossil fuels and their major role in global warming. The continuous increase in energy demand, linked to demographic and industrial growth, is exacerbating this tension. The massive use of fossil fuels is leading to climate change and environmental disasters. Low-carbon energies are alternatives, but their intermittent nature limits their widespread deployment. Nuclear energy, already favored in France, offers continuous, carbon-free production. There are two approaches: fission (already mastered) and fusion (under development). Magnetic confinement fusion is attracting growing interest, but the plasma facing components (PFC) are subjected to extreme heat flux (several MW.m^(-2)). They must effectively dissipate heat via active cooling (pressurized water at high temperature) and withstand high thermomechanical stresses. Their limits are set to ensure their mechanical integrity; exceeding these limits leads to loss of performance, cracking or local melting. While current designs meet the needs of existing operational machines (e.g. WEST) or those under development (e.g. ITER), future reactors will require new materials and cooling concepts to manage higher heat flux. Optimizing PFCs and assessing safety margins requires detailed analysis of the flows in the cooling channels integrated within these components.
Therefore, the thesis work focused on thermohydraulic CFD (Computational Fluid Dynamics) simulation of water flows under conditions representative of fusion (turbulent, single-phase or two-phase with subcooled boiling) in an anisotropically heated channel. The first part focuses on the presentation of CFPs and the state of the art in associated CFD simulations. It shows that RANS approaches coupled with Eulerian or VOF type two-phase models appear to be suitable for fusion conditions. The second part deals with the experimental campaigns carried out during the thesis on the HADES high-flux test platform (CEA Cadarache). The aim of these campaigns was to gain a better understanding of the physics involved in two cooling concepts, namely a ‘smooth tube' and a ‘Hypervapotron', and to obtain experimental data for subsequent comparison with numerical results. A notable result is that the pressure drop decreases with the intensification of the two-phase flow regime in the Hypervapotron. The last part is devoted to the results of CFD simulations using Ansys Fluent, a software commonly used by the fusion community. The cases studied were gradually made more complex (vertical then horizontal tubes, turbulent regimes). The RPI model proved to be relevant for vertical flows but limited for horizontal flows (convergence and accuracy difficulties). For a case taken from the literature (horizontal flow with subcooled boiling in a smooth tube), fine calibration of the mesh and numerical parameters yielded physically consistent results, despite persistent errors from a thermal perspective. A DNS/RANS comparison was also conducted for a smooth tube and a finned tube (representative of cooling concept such as Hypervapotron). At low Reynolds numbers, there are notable differences between the approaches, which are accentuated for the finned tube. At high Reynolds numbers, numerical limitations restrict DNS, and mixed convection is not well reproduced by RANS. However, the simulations provide useful trends: comparison with the single-phase experimental results from the experimental campaign conducted for the ‘smooth tube' shows an average error of around 10%.