Etude de l'atomisation flash d'un jet d'eau : application à la problématique des poussières au cours d'une perte de vide par entrée d'eau dans ITER (ICE)

par Benjamin Blaisot

Thèse de doctorat en Dynamique des fluides

Sous la direction de Véronique Roig et de Emmanuel Porcheron.

Le président du jury était Jean-Philippe Matas.

Le jury était composé de Véronique Roig, Emmanuel Porcheron, Nicolas Rimbert, Jeronimus Van beeck, Grazia Lamanna, Yannis Hardalupas, Olivier Praud.

Les rapporteurs étaient Nicolas Rimbert, Jeronimus Van beeck.


  • Résumé

    Dans le cadre de la construction du réacteur de fusion ITER, l’IRSN mène des travaux de recherche pour évaluer les conséquences de différents scénarios d'accidents pouvant conduire à l'endommagement de la chambre à vide du tokamak et induisant potentiellement un risque de dissémination de matières radioactives dans l’environnement. Le scénario considéré dans le cadre de cette étude est la perte de vide par entrée d’eau ou ICE (Ingress of Coolant Event) dont les conséquences sont susceptibles d’entrainer la formation d’hydrogène générant ainsi un risque d’explosion. Afin d'évaluer la quantité de poussières qui pourrait être mobilisée dans la chambre à vide du tokamak (dont dépend la quantité d’hydrogène produite) il est nécessaire d’identifier et de quantifier les mécanismes contribuant à la mise en suspension des particules à basse pression lors d’un scénario de perte de vide par entrée d’eau ou ICE. Lors d’un ICE, l’eau du circuit de refroidissement pénètre dans la chambre à vide à une température supérieure à son point d'ébullition en raison des conditions dites ITER like (basses pression et température) et subit une atomisation par effet thermodynamique dite flash. Le problème de l’atomisation flash dans le vide et de son impact sur la mise en suspension de poussières est particulièrement complexe. L’atomisation flash relève en effet du domaine des écoulements diphasiques en présence de phases métastables du point de vue de la thermodynamique et de changements de phase extrêmement rapides. De plus, l’atomisation en fines gouttelettes et la vaporisation intense qui ont lieu au niveau de la brèche peuvent donner lieu à des effets de compressibilité forts pouvant se traduire par l’apparition d’écoulements diphasiques supersoniques, de chocs et tout cela toujours à la limite des milieux raréfiés. Pour mener cette étude expérimentale, le développement d'un nouveau banc expérimental (FAAMUS, Flash Atomization and Aerosols Mobilization Under vacuum System) associé à une métrologie basée sur les techniques de PIV et d’ombroscopie haute cadence et adaptée à la caractérisation des écoulements diphasiques a fait l’objet de la première phase du travail de thèse. Des algorithmes de post-traitement ont également été développés pour extraire des données qualitatives et quantitatives sur la morphologie de l’écoulement diphasique et sur les vitesses des gouttes en sortie de brèche. Des expériences ont été réalisées afin d'étudier les phénomènes d'atomisation flash pour des conditions expérimentales représentatives de celles d’un ICE dans ITER ainsi que pour des conditions thermodynamiques élargies. Dans les conditions dites ITER like, nous avons pu mettre clairement en évidence et décrire la détente supersonique du jet diphasique en sortie de brèche. C’est un écoulement complexe pour lequel nous avons pu également quantifier sa sensibilité à la nature du régime d’écoulement diphasique développé dans le circuit en amont de la brèche. Les expérimentations effectuées ont permis d’obtenir l’évolution de la morphologie du spray ainsi que de la vitesse des gouttes produites sur une grande gamme de surchauffe. Ainsi, l’angle de spray atteint un angle de 150° tandis que la vitesse des gouttes dépasse les 60 m/s à forte surchauffe.L’évolution de ces caractéristiques n’est pas linéaire avec la surchauffe et dépend de nombreux paramètres géométriques et thermodynamiques. Des expériences préliminaires de mise en suspension aéraulique de particules à basse pression par flashage de jet liquide ont été réalisées et laissent entrevoir de nombreuses perspectives sur la problématique du comportement des poussières lors d’un scénario d’ICE dans ITER

  • Titre traduit

    Study of the flash atomization of a water jet : application to the dust problematic during an Ingress of Coolant Event in ITER (ICE)


  • Résumé

    As the ITER fusion reactor is being built, IRSN is conducting research to assess the consequences of various accident scenarios that could lead to damage to the vacuum chamber of the tokamak and potentially lead to a risk of radioactive materials being released into the environment. The scenario considered in this study is the loss of vacuum by water ingress or ICE (Ingress of Coolant Event), the consequences of which are likely to lead to the formation of hydrogen, thus generating a risk of explosion. In order to evaluate the quantity of dust that could be mobilized in the vacuum chamber of the tokamak (to which depends the quantity of hydrogen produced) it is necessary to identify and quantify the mechanisms contributing to the resuspension of particles at low pressure during a vacuum loss by ingress of coolant or ICE scenario. During an ICE, the water from the cooling circuit enters the vacuum chamber at a temperature above its boiling point due to the ITER like conditions (low pressure and high temperature) and undergoes atomization by thermodynamic effect known as flash boiling. The phenomenon of flash atomization in a vacuum and its impact on dust mobilisation is a particularly complex problem. Flash atomization falls under two-phase flow in the presence of thermodynamically metastable phases and extremely rapid phase changes. Moreover, the atomisation into fine droplets and the intense vaporization that takes place at the breach can give rise to strong compressibility effects that can result in the appearance of supersonic two-phase flows, shocks and this at the limit of rarefied environments. To conduct this experimental study, the development of a new experimental bench (FAAMUS, Flash Atomization and Aerosols Mobilization Under vacuum System) associated with metrology adapted to the characterization of two-phase flows based on high speed PIV and shadowgraphy techniques was the subject of the first part of the thesis work. Post-processing algorithms were also developed to extract qualitative and quantitative data on the morphology of the two-phase flow and on the velocities of the drops leaving the breach. Experiments have been carried out to study flash atomization phenomena for experimental conditions representative of those of an ICE in ITER as well as for extended thermodynamic conditions. Under ITER like conditions, we have been able to clearly demonstrate and describe the supersonic expansion of the two-phase jet as it exits the breach. This is a complex flow for which we were also able to quantify its sensitivity to the nature of the two-phase flow regime developed in the circuit upstream of the breach. The experiments carried out allowed us to obtain the evolution of the spray morphology as well as the velocity of the drops produced over a large range of overheat. Thus, the spray angle reaches an angle of 150° while the velocity of the drops exceeds 60 m/s at high overheat. The evolution of these characteristics is not linear with superheat and depends on many geometrical and thermodynamical parameters. Preliminary experiments on aeraulics resuspension of particles at low pressure by liquid-jet flashing have been carried out and provide many insights into the problem of dust behaviour under an ICE scenario inITER


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