Simulation avec CATHARE de l'auto-vaporisation pour la sûreté nucléaire et hydrogène H/F

Informations générales

Entité de rattachement

Le CEA est un acteur majeur de la recherche, au service des citoyens, de l'économie et de l'Etat.

Il apporte des solutions concrètes à leurs besoins dans quatre domaines principaux : transition énergétique, transition numérique, technologies pour la médecine du futur, défense et sécurité sur un socle de recherche fondamentale. Le CEA s'engage depuis plus de 75 ans au service de la souveraineté scientifique, technologique et industrielle de la France et de l'Europe pour un présent et un avenir mieux maîtrisés et plus sûrs.

Implanté au cœur des territoires équipés de très grandes infrastructures de recherche, le CEA dispose d'un large éventail de partenaires académiques et industriels en France, en Europe et à l'international.

Les collaboratrices et collaborateurs du CEA partagent trois valeurs fondamentales :

• La conscience des responsabilités

• La coopération

• La curiosité

Référence

Description de l'unité

Au sein du DM2S, le Service de Thermohydraulique et de la Mécanique des Fluides (STMF) :

- conçoit, développe et qualifie les logiciels de simulation de thermohydraulique et de mécanique des fluides pour les réacteurs et installations nucléaires ;

- conçoit et réalise des programmes expérimentaux en support à la compréhension des phénomènes et à la validation des modèles physiques implantés dans les logiciels ;

- réalise les études et expertises qui lui sont confiées pour des applications nucléaires et quelques- unes hors nucléaire dans le domaine énergétique.

Le laboratoire LMES développe le code CATHARE depuis plus de 40 ans en proposant des modélisations physiques adaptées pour représenter les écoulements en réacteur en situation incidentelles et accidentelles. Applicable aux principales filières (eau, sodium, gaz…), son utilisation en support aux études de sûreté des réacteurs requiert des actions de Vérification, Validation et Quantification des Incertitudes multiples et étendues. Le code CATHARE est également utilisé depuis plusieurs années pour des applications hors nucléaire comme l'hydrogène.

Domaine

Thermohydraulique et mécanique des fluides

Contrat

Stage

Intitulé de l'offre

Simulation avec CATHARE de l'auto-vaporisation pour la sûreté nucléaire et hydrogène H/F

Sujet de stage

Amélioration de la modélisation de l'auto-vaporisation dans le code CATHARE pour la sûreté nucléaire et hydrogène

Durée du contrat (en mois)

6

Description de l'offre

Contexte

La modélisation de l'auto-vaporisation est un enjeu majeur en termes de sûreté pour de nombreux systèmes industriels. C'est en particulier le cas pour les circuits primaires des Réacteurs à Eau Pressurisés (REP), ainsi que pour les systèmes d'hydrogène liquide (LH2) - utilisés dans le spatial et envisagés dans l'aviation et le transport lourd en substitution des combustibles fossiles. Lorsqu'une brèche survient dans l'un de ces circuits, le débit de fuite peut être limité par la vitesse sonique de l'écoulement. Ce dernier est alors dit « bloqué » et ne dépend alors plus que des conditions thermohydrauliques dans le circuit, et non des conditions extérieures. Lorsque l'écoulement est proche de la saturation, la dépressurisation donne lieu à une vaporisation du liquide (phénomène d'auto-vaporisation). Il est alors nécessaire de prédire convenablement le taux de vaporisation afin d'estimer de manière fiable la vitesse sonique et donc le débit de fuite.

CATHARE-3 est un code de thermohydraulique à échelle système, conçu initialement pour les études de sûreté des REP et dont le champ d'application a été ouvert progressivement à d'autres industries [1]. Copropriété du CEA, d'EDF, Framatome et de l'IRSN, il se base principalement sur un modèle monodimensionnel à deux fluides (liquide/vapeur). Il dispose de lois de fermetures spécifiques pour les différents transferts de chaleur, de masse ou de quantité de mouvement. CATHARE-3 utilise notamment un modèle empirique basé sur des essais expérimentaux en eau pour prédire l'auto-vaporisation. Celui-ci n'est donc pas, a priori, adapté pour le calcul d'écoulements en hydrogène. De plus, pour les écoulements en eau, la déviation par rapport à l'expérience est non-négligeable dans certaines conditions.

Objectifs

Afin de disposer d'une modélisation plus précise et généralisable à d'autres fluides, un modèle de type dit « mécaniste » (ou « phénoménologique ») est à l'étude. Ce dernier a déjà été implémenté dans CATHARE-3 et testé pour des écoulements en eau. Le premier objectif du stage est de reprendre l'étude de ce modèle sur ces essais et de l'approfondir, afin notamment d'identifier les causes des défauts observés et de les corriger. Il sera alors opportun de dégager les principales tendances du modèle sur la base expérimentale eau et de le comparer au modèle semi-empirique utilisé actuellement pour les applications REP (figure 1). Le second objectif est d'évaluer les capacités du modèle à simuler l'auto-vaporisation pour des écoulements en hydrogène liquide. L'étudiant devra construire la modélisation CATHARE-3 d'une expérience en tuyère issue de la littérature puis comparer les mesures aux résultats expérimentaux. Enfin, selon l'avancement et les résultats obtenus, une étude d'autres modèles d'auto-vaporisation pourra être réalisée, en s'intéressant par exemple au Delayed Equilibrium Model.

[1] Site internet du code CATHARE :

Moyens / Méthodes / Logiciels

CATHARE, Linux

Profil du candidat

Etudiant/étudiante en dernière année d'école d'ingénieur ou en master 2, disposant de bases solides en mécanique des fluides et ayant des notions en programmation et Linux. Des connaissances en thermohydraulique diphasique seraient appréciées. 

Site

Saclay

Localisation du poste

France, Ile-de-France, Essonne (91)

Ville

Saclay

Disponibilité du poste

15/01/2024

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