Thèse Modélisation d'Une Phase Dispersée Hors Équilibre et de sa Fragmentation H/F Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Mathématiques École doctorale : Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences Laboratoire de recherche : EM2C - Energétique Moléculaire et Macroscopique, Combustion Direction de la thèse : Frédérique LAURENT-NèGRE ORCID 0000000273651205 Début de la thèse : 2026-11-02 Date limite de candidature : 2026-09-30T23:59:59 Dans le cadre de l'utilisation durable de l'énergie nucléaire pour produire une électricité décarbonée, les réacteurs de 4e génération dits « à neutrons rapides » sont nécessaires pour fermer le cycle du combustible.
Cette thèse s'inscrit dans le cadre des études de sûreté associées à de tels réacteurs à caloporteur sodium et plus particulièrement lorsqu'un coeur fondu se relocalise par gravité vers le récupérateur en fond de cuve. Un jet de corium (mélange de combustible et éléments structurels du coeur fondus) interagit alors violemment avec le fluide caloporteur, induisant entre autres la fragmentation du jet de corium en gouttes couplée à l'ébullition en film du réfrigérant. Les caractéristiques de la phase dispersée de corium résultante et de sa fragmentation sont déterminantes pour étudier le risque d'emballement et d'explosion vapeur.
L'objectif de la thèse est ainsi de modéliser une phase dispersée et sa fragmentation dans un fluide environnant, avec une approche à la fois performante et capable de rendre compte des variétés d'échelle et des déséquilibres thermiques entre les gouttes et la phase porteuse. La méthode envisagée pour satisfaire ces objectifs est la méthode des moments qui découle d'un modèle cinétique. Elle demande une fermeture adéquate et des schémas numériques satisfaisant des contraintes non standards, en offrant en retour un compromis coût/précision primordial dans le contexte étudié. Les avancées seront a priori implémentées dans le logiciel CFD SCONE construit sur la plateforme open-source TRUST du CEA. Cette thèse s'inscrit dans le cadre des études de sûreté associées aux Accidents graves dans les Réacteurs à Neutrons Rapides refroidis au Sodium et plus particulièrement lorsque le coeur fondu se relocalise par gravité dans un volume rempli de sodium. Un jet de corium (mélange de combustible et éléments structurels du coeur fondus) interagit alors violemment avec le fluide caloporteur du réacteur. Ce phénomène est appelé FCI pour Fuel Coolant Interaction. L'interaction induit une fragmentation plus ou moins intense du corium menant potentiellement à une explosion de vapeur.
Le LMAG (Laboratoire de Modélisation des Accidents Graves) étudie cet évènement et développe un code de calcul C++ dédié à sa simulation : le code SCONE sur base open source TRUST. L'objectif de la thèse est ainsi de modéliser une phase dispersée et sa fragmentation dans un fluide environnant, avec une approche à la fois performante et capable de rendre compte des variétés d'échelle et des déséquilibres thermiques entre les gouttes et la phase porteuse. La méthode envisagée pour satisfaire ces objectifs est la méthode des moments qui découle d'un modèle cinétique. Elle demande une fermeture adéquate et des schémas numériques satisfaisant des contraintes non standards, en offrant en retour un compromis coût/précision primordial dans le contexte étudié. Les avancées seront a priori implémentées dans le logiciel CFD SCONE construit sur la plateforme open-source TRUST du CEA. La modélisation et l'étude de phases dispersées à grande variété d'échelle est très importante dans ce contexte pour plusieurs raisons. Premièrement la fragmentation des gouttes de corium induit l'augmentation des surfaces d'échanges et par conséquent une intensification des transferts de chaleur et de masse entre les phases. Elle est donc au coeur de l'emballement de génération de vapeur menant potentiellement à une explosion vapeur qui peut endommager la cuve réacteur (cf. par exemple Berthoud et al. (2008) [1]). Le milieu multiphasique en présence conditionne en partie la propagation d'ondes de pression et demande donc à être bien évalué au cours d'un événement. Ce milieu est non seulement composé des fluides précédemment évoqués mais aussi de gouttes de réfrigérant liquide tout comme de bulles de réfrigérant gazeux. La variété des phases dispersées en présence n'est donc pas limitée au corium. D'autre part en temps plus long les gouttes de corium formées refroidissent jusqu'à se solidifier et se relocalisent en formant un lit de débris qui, selon sa composition et sa structure géométrique, peut mener à des problématiques de criticité neutronique. Une des difficultés de ce sujet de recherche est l'aspect multi-échelles de l'écoulement (cf. Figure 1). Les gouttes de corium peuvent varier de plusieurs ordres de grandeur par rapport à la dimension caractéristique de la masse de corium initialement formée. La densité de gouttes peut aussi être localement élevée puis beaucoup plus diluée. La modélisation et la simulation de ce type d'écoulement est complexe mais demeure une des voies pour mieux comprendre la phénoménologie d'explosion vapeur ainsi que la formation de lit de débris. Pour des simulations à l'échelle d'un réacteur, il est inenvisageable de résoudre de manière explicite toutes les gouttes et leurs fragmentations. L'approche envisagée dans cette thèse est de se placer au niveau méso-scopique et de considérer une méthode des moments pour résoudre des champs dispersés. Le travail de cette thèse vise d'une part à modéliser une phase dispersée hors équilibre thermique et dynamique avec une phase porteuse et d'autre part à décrire sa fragmentation.
La littérature comporte plusieurs voies de modélisation (cf. par exemple Le Touze [2]). Lorsque cela est possible, des résolutions de type DNS sont mises en place par exemple avec des modèles multi-phase et une reconstruction fine des interfaces pour pouvoir suivre explicitement chaque particule. Il en découle une potentielle
grande précision mais une limitation rapide des espaces pouvant être résolus. L'approche IMUSIG, étudiée au laboratoire LMAG, considère une vision multi-fluides où les particules dispersées ne sont pas reconstruites explicitement mais traitées en sous mailles par groupe de particules comme des fluides moyennés à part entière (cf. par exemple Krepper [3]). Une des limitations vient de la nécessité de considérer beaucoup de fluides afin de décrire des distributions de particules complexes (cf. Figure 2). Des approches hybrides eulérienne-lagrangienne peuvent offrir un compromis intéressant mais sont particulièrement complexes et reste limitées à des configurations particulières. Les approches cinétiques peuvent offrir un niveau de détails remarquable mais sont très coûteuses à résoudre. Une stratégie intermédiaire intéressante, dérivée à partir des modèles cinétiques, est celle de la méthode des moments (cf. par exemple Fox et al. [4] et [5]). Cette approche, envisagée dans ce travail de thèse, demande une fermeture adéquate et des schémas numériques satisfaisant des contraintes particulières. Elle offre en retour un fort potentiel coût/précision.
In fine, en plus de la plus-value théorique sur la modélisation et la résolution mathématiques de phase dispersée hors équilibre avec fragmentation, le travail effectué permettra la simulation plus précise d'un champ de particules dispersées. La méthode mise en place pourra être étendue à d'autres phases dispersées telles que les bulles de caloporteur dans les phases liquides et vice versa, importante pour bien caractériser le mélange de fluide en présence lors d'un accident. La généralité imposée par le contexte de travail permettra aux recherches d'être utile dans un cadre bien plus vaste que celui des accidents nucléaires.