Etude expérimentale de l'hydrodynamique du barbotage pour différents régimes : applications au piégeage des iodes en situations de FCVS et RTGV

Experimental study of the hydrodynamics of pool scrubbing for different flow regimes : applications on the retention of iodine in FCVS and SGTR situations

• Auteur / Autrice : Mohamad Farhat
• Direction : Olivier Vauquelin, Maxime Chinaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Mécanique et physique des fluides
• Date : Soutenance le 13/12/2022
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut universitaire des systèmes thermiques industriels (IUSTI) (Marseille) - Laboratoire d'Expérimentation Environnement et Chimie (IRSN) (Saint-Paul-Lez-Durance ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Véronique Roig
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Nerisson
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Rimbert, Sabine Rode

Mots clés

Mots clés contrôlés

Accidents nucléaires

Iode

Écoulement gaz-liquide

Filtration

Réacteurs à eau sous pression -- Perte de fluide de refroidissement

Hydrodynamique

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Barbotage

Hydrodynamique des bulles

Facteur de décontamination

Régimes des écoulements

Pool scrubbing

Hydrodynamics

Decontamination factor

Flow regimes

Résumé

Le barbotage est un mécanisme de filtration qui vise à réduire le rejet de produits de fission tels que l’iode dans différents scénarios d'accidents nucléaires sur un réacteur à eau pressurisée, notamment pour la gestion des accidents (FCVS: filtered containment venting system), ou dans les cas de rupture de tube de générateur de vapeur (RTGV). L'injection du gaz à travers un bain liquide conduit au piégeage des produits de fission par des mécanismes de rétention, à savoir un ensemble de processus physiques et chimiques. Cette thèse vise à caractériser l'hydrodynamique du barbotage pour différentes conditions d’écoulement, ainsi qu’à quantifier le piégeage de plusieurs composés iodés. Deux campagnes expérimentales ont été réalisées, l'une à l'IUSTI-Marseille principalement pour développer les méthodes hydrodynamiques, et l'autre à l'IRSN-Cadarache. Des essais couplant les mesures hydrodynamiques et celles du facteur de décontamination ont été effectuées, permettant ainsi d'étudier le piégeage de différents composés iodés. L'hydrodynamique dans la zone d'injection a été caractérisée et les régimes d'écoulement ont été décrits. Une approche phénoménologique a été développée pour déterminer la taille des bulles, montrant davantage de cohérence que les approches usuellement mises en œuvre dans les modèles de la littérature. D'autre part, les piégeages de CsI et I2 apparaissent dépendants de l'hydrodynamique et du régime de l’écoulement ainsi que, pour CsI, des contributions des différents mécanismes de rétention d’aérosols. Par ailleurs, le piégeage de CH3I n’est pas affecté par l'hydrodynamique mais dépend de la chimie de la solution, tout en restant relativement faible

Pool scrubbing is a filtration mechanism that aims to reduce the release of fission products (e.g., iodine) in different nuclear accident scenarios on a pressurized water reactor, notably as an accident management system in in filtered containment venting systems (FCVS), or in cases of steam generator tube rupture (SGTR). The injection of the carrier gas through the liquid pool leads to the trapping of fission products by retention mechanisms, namely a set of physical and chemical processes. This thesis aims to characterize the hydrodynamics of pool scrubbing for different flow conditions, and to quantify the trapping efficiency of several iodine compounds. Two experimental campaigns were carried out, one at IUSTI-Marseille mainly for developing the hydrodynamic methods, and other at IRSN-Cadarache. The facility at Cadarache, TYFON, is designed to afford the coupling of hydrodynamic and decontamination factor measurements, permitting to investigate the retention mechanisms of different iodine compounds (gaseous methyl iodide CH3I, gaseous molecular iodine I2, and caesium iodide aerosols CsI). Bubble hydrodynamics in the injection zone were characterized and flow regimes were classified. A phenomenological approach for determining bubbles sizes has been provided, showing more consistency than usual approaches implemented in models described in the literature. On the other hand, CsI and I2 trapping appear dependent on hydrodynamics and flow regime. Besides, CsI trapping also depends on various contributions of aerosol retention mechanisms. Otherwise, CH3I trapping is not affected by the hydrodynamics but depends on pool chemistry, while remaining relatively weak