Etude de la convection naturelle turbulente dans un bain liquide élancé et chauffé en volume

Le développement et la structure de la turbulence dans une cellule thermo-convective avec chauffage interne en volume ont reçu une attention moindre, de la part de la communauté scientifique, que dans d’autres cas plus courants (Rayleigh-Bénard) avec chauffage externe par les parois. Si cette différence s’explique notamment par la relative rareté de situations de convection naturelle où la puissance provient du fluide lui-même, leur étude reste nécessaire pour certaines applications spécifiques. En particulier, les études de sûreté nucléaires relatives aux accidents graves nécessitent des évaluations précises des échanges thermiques aux parois d’un bain de corium liquide issu de la fusion du cœur du réacteur, caractérisé par une très haute température (>3000 K), un nombre de Prandtl proche de l’unité ( 0,5–5), une forte réactivité chimique et surtout une puissance spécifique importante ( 10–100 W/cm3^3). La convection induite par cette puissance présente une forte turbulence, caractérisée par le nombre de Rayleigh "interne" du bain liquide, compris entre 108^8 et 1017^{17}. Des approches numériques directes couplant l’entièreté de la physique du corium sont irréalisables à ces niveaux de Rayleigh, mais sont envisageables pour des cas moins complexes, ne prenant en compte qu’une partie de la physique, dans des configurations idéalisées. Des DNS représentatives de la partie liquide d’un bain de corium homogène sont ainsi réalisées avec l’outil TRUST-TrioCFD développé par le CEA. Elles apportent un éclairage nouveau et complémentaire par rapport aux expériences sur la structure interne du bain de corium et les transferts thermiques à ses parois. Elles permettront aussi d’asseoir des modèles de turbulence adaptés à cette situation (RANS), à intégrer dans des modélisations plus complètes de la physique du problème. Des analyses sont en cours afin de tester la validité des hypothèses classiques des approches RANS existantes et d’identifier les améliorations à y apporter.

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