Modeling of underexpanded reactive CO2-into-sodium jets, in the frame of sodium fast reactors

par Daniele Vivaldi

Thèse de doctorat en Génie des Procédés

Sous la direction de Frédéric Gruy.

Soutenue le 04-10-2013

à Saint-Etienne, EMSE , dans le cadre de ED SIS 488 , en partenariat avec CEA Cadarache (laboratoire) , Département PROcédés Poudres, Interfaces, Cristallisation et Ecoulements (laboratoire) et de UMR 5307 - Laboratoire Georges Friedel (laboratoire) .

Le président du jury était Marco Ricotti.

Le jury était composé de Frédéric Gruy, Marco Ricotti, Michel Lance, Jean-Pierre Bellot, Philippe Grosseau, Craig Gerardi, Pierre Coste, Christophe Perrais.

Les rapporteurs étaient Michel Lance, Jean-Pierre Bellot.

  • Titre traduit

    Modélisation de jets réactifs et sous-détendus de CO2 dans le sodium, dans le contexte des Réacteurs à neutron rapides refroidis au sodium


  • Résumé

    Ce travail de thèse s’est inscrit dans le contexte d’utilisation d’un cycle de conversion de l’énergie de type Brayton au CO2 supercritique, pour les réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium (RNRNa). Dans le cas d’une fuite accidentelle dans l’échangeur de chaleur Na − CO2 d’un RNRNa, le CO2, avec une pression opérative d’environ 200 bars, serait injecté dans le sodium liquide qui se trouve à basse pression,provoquant un jet sous-détendu et réactif deCO2 dans le sodium. L’objectif principal de ce travail de thèse était le développement d’un modèle numérique du jet réactif diphasique de CO2 dans du sodium.Un modèle numérique d’un jet sous-détendu non-réactif de gaz dans du liquide, utilisant une approche3D non-stationnaire de type multi-fluide CFD, a été développé. Les résultats numériques ont été validés à travers la comparaison avec résultats expérimentaux obtenus avec mesures optiques. Un modèle décrivant la réaction chimique entre le sodium et le CO2 a été ensuite développé et intégré dans le modèle 3D multi-fluide. Le modèle résultant permet de calculer les profils de température obtenus au sein du jet et sur les parois des tubes de l’échangeur de chaleur.


  • Résumé

    This PhD work was motivated by the investigations in the frame of supercritical CO2 Brayton cycles as possible energy conversion cycles for the Sodium-cooled Fast nuclear Reactors (SFRs). Following an accidental leakage inside the sodium-CO2 heat exchanger of a SFR, the CO2, having an operating pressure of about 200 bars, would be injected into the low-operatingpressure liquid sodium, creating an underexpanded reactive CO2-into-sodium jet. The goal of this PhD work is the development of a numerical model of the two-phase reactive CO2-into-sodium jet.A numerical model of an underexpanded non-reactive gas-into-liquid jet was developed, adopting a 3D unsteady multi-fluid CFD approach. The numerical results have been validated through the experimental results obtained with a facility employing optical probe technique. A numerical model for the chemical reaction between sodium and CO2 was then developed and integrated into the 3D two-fluid model. The resulting model allows to determine the temperature profiles inside the reactive jet and on the heat exchanger tubes.


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