Etude des instabilités magnétohydrodynamiques dans les pompes électromagnétiques à induction annulaire à fort débit

Study of MHD instabilities in high flowrate induction electromagnetic pumps of annular linear design

• Auteur / Autrice : Elena Martin Lopez
• Direction : Yves Delannoy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides Energétique, Procédés
• Date : Soutenance le 29/11/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Alain Jardy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Gissinger, Yves Fautrelle, Fabrice Benoit
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Jardy, Thierry Albousière

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réacteurs à neutrons rapides

Magnétohydrodynamique

Mots clés libres

Alip

Pemdyn

Résumé

Les pompes à induction linéaires électromagnétiques (PEM) sont un sujet de recherche important dans le développement des réacteurs rapides refroidis au sodium de génération IV. En particulier, dans le cadre du programme de simulation numérique R&D du Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), la prédiction du comportement des pompes à induction linéaires annulaires (ALIP) a été évaluée en raison de ses avantages en termes de sécurité par rapport aux pompes mécaniques.Pour des raisons de sûreté nucléaire, il est nécessaire de connaître le comportement d'une ALIP dans des conditions hors conception. En conséquence, le présent travail se concentre sur l’étude de la phénoménologie magnétohydrodynamique (MHD) et de ses instabilités, ces dernières se produisant lors du passage d’une branche linéaire à une branche non linéaire de la courbe de performance au maximum de pression. Ce phénomène est associé à une diminution conséquente de la pression et du rendement développés par la pompe et intervient dans des régimes de fonctionnement à grand nombre de Reynolds magnétiques (RmB), lequel quantifie la relation convection-diffusion du champ magnétique.Cette recherche vise à développer différents outils permettant de décrire des phénomènes et de prévoir des comportements pour différents régimes de performance. Ce raisonnement a été construit selon trois axes principaux basés sur les recherches bibliographiques plus notables sur le sujet. Ils consistent en i) la caractérisation des principaux effets déclenchés lors de l'opération de l’ALIP à l'aide d'approches théoriques et l'obtention de seuils de stabilité à partir desquels l’écoulement MHD pourrait devenir instable, ii) la mise au point de modèles numériques précis capables de reproduire les comportements physiques proches de ceux des installations réelles et iii) l'observation et l'analyse de phénomènes utilisant différentes méthodes pour le post-traitement de données volumineuses acquises par l'exploitation de l'installation expérimentale PEMDyn, située au centre du CEA Cadarache.Dans ces travaux, la comparaison des résultats obtenus à travers ces trois approches différentes a permis de décrire les instabilités MHD attendues lors de l’opération à grand nombre de Reynolds magnétique de glissement (Rms). Ils sont caractérisés par des pulsations à basse fréquence (LF), des inhomogénéités de vitesse et de champ magnétique, des vibrations, etc. On a obtenu ici que ces phénomènes pourraient être dus à une amplification des perturbations à l'entrée, déclenchée par une certaine valeur de la vitesse de glissement. Cette amplification peut être quantifiée avec des modèles théoriques ou numériques et a été observée lors d'expériences.En outre, cette étude met l'accent sur le niveau de détail requis dans les modèles analytiques et numériques en fonction de leur portée. Un nombre important de modèles avec différentes exactitudes et hypothèses ont donc été développés. Une des conclusions principales extraites montre l’importance des effets de bouts dus à la longueur finie de l’inducteur sur les performances et la stabilité des ALIPs.

Electromagnetic Linear Induction Pumps (EMPs) are an important research subject in the development of Gen IV sodium-cooled fast reactors. Especially, in the framework of the French Alternative Energies and Atomic Energy Commission’s (CEA) R&D numerical simulation program, the prediction of the behavior of Annular Linear Induction Pumps (ALIPs) is been evaluated because of its safety advantages compared to mechanical pumps.For nuclear safety reasons, it is needed to know the behavior of an ALIP at off-design conditions. Consequently, the present work is focused on the study of magnetohydrodynamic (MHD) phenomenology and instabilities, these last occurring at the transition from linear to non-linear branch of the performance curve at the maximum of pressure. This phenomenon is associated to a consequent decrease of the pump developed pressure and efficiency and takes place at large magnetic Reynolds number (RmB), which quantifies the relation convection to diffusion of the magnetic field.This research aims to develop different tools permitting to describe phenomena and predict behavior for different performance regimes. This reasoning has been constructed following three main axes based on bibliographic researches on the subject. They consist of i) the characterization of main effects triggered during the performance of ALIPs using theoretical approaches and obtaining of stability thresholds from which the MHD flow might become unstable, ii) the development of accurate numerical models able to reproduce physical behavior close to real facilities and iii) the observation and analysis of phenomena using different methods for the post-treatment of big data acquired through the exploitation of the experimental facility PEMDyn, located in CEA Cadarache, France.In this work, the comparison of obtained results through these three different approaches has permitted to describe the MHD instabilities expected at operations with high values of slip magnetic Reynolds number (Rms). They are characterized by low frequency (LF) pulsations, velocity and magnetic field inhomogeneities, vibrations, etc. Here it has been obtained that these phenomena might be due to an amplification of inlet perturbations, triggered by the value of the slip velocity. Such amplification may be quantified with theoretical or numerical models, and has been observed on experiments.Furthermore, the current study puts the accent on the required level of detail in analytical and numerical models depending on their scope, and thus, an important number of models with different accuracies and assumptions has been developed. One of main conclusions extracted shows the importance of end effects due to the finite length of the inductor on the performance and stability of ALIPs.