Résumé / Abstract

Le superalliage à 22%mas. en chrome, Haynes 230®, est un matériau candidat pour les échangeurs de chaleur (température maximale 850°C-950°C) des Réacteurs à Caloporteur Gaz, également appelés HTRs (High Temperature Reactors). Dans l'optique de valider les performances de cet alliage, il faut garantir sa résistance à la corrosion dans l'environnement d'hélium impur de ces réacteurs. Dans cet objectif, la réactivité de surface de l'Haynes 230® a été examinée à des températures comprises entre 850 et 1000°C. On s'est attaché à caractériser l'influence de différents paramètres tels que concentrations en impuretés du gaz (monoxyde de carbone, méthane et rapport vapeur d'eau/dihydrogène), caractéristiques de l'alliage (activités en Cr et en C, teneurs en éléments mineurs) et température d'exposition. Deux principaux comportements ont pu être mis en évidence : la formation d'une couche d'oxyde riche en Cr et Mn à 900°C et sa réduction à plus hautes températures. A 900°C, la vapeur d'eau est l'oxydant principal. Toutefois dans les temps initiaux, le monoxyde de carbone réagit à l'interface métal/oxyde ce qui implique un transport de gaz au travers de la couche ; CO semble préférentiellement oxyder les éléments mineurs aluminium et silicium. A partir d'une température critique TA, le carbone en solution dans l'alliage réduit l'oxyde de chrome. Un modèle de destruction de la couche basé sur les grandeurs thermodynamiques interfaciales de l'alliage, la morphologie de la couche et la pression partielle en monoxyde de carbone dans l'hélium est proposé puis validé.

Les applications potentielles du carbure de silicium (SiC) en microélectronique ont motivé de nombreuses études sur les défauts ponctuels, qui jouent un rôle important dans la compensation électrique. Ce matériau possède en outre de nombreux atouts pour participer au confinement des matières fissiles dans les réacteurs à caloporteur gazeux du futur (4ème génération). Dans cette thèse, nous avons utilisé la Résonance Paramagnétique Electronique et la Spectroscopie d'Annihilation de Positons pour étudier les propriétés (nature, taille, état de charge, migration et agglomération sous recuit) des défauts ponctuels natifs et induits par irradiation avec différentes particules (H+, e-, ions carbone) dans les polytypes 3C et 6H de SiC. L'étude par annihilation de positons des défauts natifs dans 6H-SiC a permis de mettre en évidence une forte concentration de pièges non lacunaires de type accepteur, qui ne sont pas présents dans les cristaux 3C-SiC. La nature des défauts détectés après irradiation aux électrons de basse énergie (190keV) dépend du polytype. En effet, si des paires de Frenkel de silicium et des monolacunes de carbone sont détectées dans les cristaux 6H, seules des monolacunes de carbone sont détectées dans les cristaux 3C. Nous proposons que ces différences quant aux populations de défauts ponctuels détectés résultent de valeurs différentes des énergies de seuil de déplacement du silicium dans les deux polytypes (environ 20eV pour 6H et 25eV pour 3C). Par ailleurs, les irradiations avec des protons de 12MeV et des ions carbone de 132MeV créent des monolacunes de silicium ainsi que des bilacunes VSi-VC. Ni la particule (protons ou ions carbone), ni le polytype (3C ou 6H) n'influent sur la nature des défauts générés. Enfin l'étude du recuit de monocristaux 6H-SiC irradiés avec des protons de 12MeV a permis de mettre en évidence plusieurs processus successifs. Le résultat le plus original est l'agglomération des monolacunes de silicium avec les bilacunes VSi-VC qui mène à la formation de trilacunes VSi-VC-VSi.

Le marché du gaz naturel liquéfié (GNL) est en plein essor et présente l'avantage de diversifier les approvisionnements. Le GNL est acheminé à une température de -162 °C et à pression atmosphérique. L'objet principal de la thèse vise à valoriser l'exergie contenue dans le GNL lors de sa gazéification et de son réchauffage avant d'être distribué sur le réseau. La thèse étudie un nouveau concept de gazéification qui se différentie des développements en cours par l'usage de l'air ambiant comme seule source de chaleur et par la valorisation d'une partie de l'exergie du GNL en énergie mécanique.Une analyse énergétique et exergétique a permis de définir des architectures de cycles moteurs utilisant l'énergie calorifique de l'air comme source chaude (récupérée par un fluide intermédiaire qui est le propane) et le GNL comme puits froid.L'usage de l'air ambiant conduit à gérer les cycles de givrage et dégivrage sur les évaporateurs du fluide intermédiaire récupérant les calories de l'air. Ceci nécessite la compréhension des phénomènes couplés de transferts de chaleur et de masse. Pour cela un banc d'essai a été construit afin de caractériser des échangeurs à ailettes rondes discontinues en condition de givrage et de valider un modèle numérique simulant le comportement de ces échangeurs en présence de givre. Cette modélisation a permis de proposer une logique de dimensionnement et d'exploitation des évaporateurs à air en prenant en compte l'effet du givre. Une étude saisonnière a montré que le procédé proposé est énergétiquement excédentaire tout au long de l'année. / The market of liquefied natural gas (LNG) is growing and presents the advantage of diversifying supplies. The LNG is fed at a temperature of -162°C and at atmospheric pressure. The main objective of the thesis aims at the valorization of the LNG exergy during its gasification and heating before being delivered through the network. The thesis investigates a new concept of gasification that differs from the current developments by the use of ambient air as the only heat source and by partial valorization of the LNG exergy in mechanical energy.An energy and exergy analysis helped to the definition of engine-cycle architectures using the air heating capacity as a heat source (recovered by an intermediate fluid, here propane) and LNG as a cold sink.The use of ambient air led to manage frosting and defrosting cycles on the evaporators of intermediate fluid recovering heat from the air. This requires understanding the coupled heat and mass-transfer phenomena. A test bench was built to characterize Circular Finned-Tube Heat Exchangers in frosting conditions and to validate a numerical model simulating the behavior of such heat exchangers in presence of frost. As a result, a logic for the design and operation of air heat exchangers is proposed taking into account the frosting effect. A seasonal study showed that the output power generated by the new concept of gasification is superior to its energy consumption throughout the year.

Les réacteurs GEN IV (GFR) nécessitent l'emploi de matériaux d'enrobage ayant une bonne transparence aux neutrons, une conductivité thermique élevée et agissant comme barrière de diffusion pour les produits de fission. Le but de cette étude est de déterminer le rôle de la température et de l'irradiation sur le comportement du xénon implanté dans l'oxycarbure de zirconium (ZrCxOy). A cet effet, des poudres de deux stoechiométries ZrC0,95O0,05 et ZrC0,8O0,2 ont été synthétisées puis frittées par frittage flash, ou sous charge. Pour étudier le rôle de la fluence d'implantation sur la migration thermique du xénon dans le ZrC0.95O0.05, des ions 136Xe2+ ont été implantés à une énergie de 800 keV à trois fluences : 1015, 1016 et 1017 at/cm². Les échantillons ont ensuite été recuits sous vide secondaire dans une gamme de températures de 1500 à 1800°C. Les profils de distribution du xénon ont été mesurés par RBS ou par SIMS. Des analyses par MET, MEB, NBS et PAS-DBS ont été réalisées à chaque étape. Cette étude a montré qu'à 1015 et 1016 at/cm2 le xénon est piégé dans des bulles nanométriques dans les murs de dislocations. A 1017 at/cm2, la coalescence des bulles de plus grandes tailles conduit au relâchement du xénon aux joints de grains. Pour les échantillons de ZrC0,8O0,2, les recuits conduisent à une oxydation de surface corrélée à un important relâchement du xénon. Parallèlement, des expériences d'irradiation ont été effectuées sur la plateforme JANNUS et auprès du Tandem afin de déterminer le rôle respectif des dégâts balistiques et électroniques sur la migration du xénon. Nous avons observé que ces conditions d'irradiation n'entrainaient pas de migration du xénon

Les opérations de maintenance des routes en conditions hivernales sur réseaux routiers constituent un enjeu important pour maintenir l’offre de mobilité en situation dégradée. Elles génèrent des coûts d’exploitation directs et indirects élevés, liés en particulier à l’utilisation intensive de fondants routiers. Par ailleurs, leur impact environnemental doit être pris en considération. Nous étudions ici une structure de chaussée non soumise à ce type d’astreinte, grâce à la présence d’une couche de liaison drainante dans laquelle circule un fluide chaud, permettant ainsi d’éviter le dépôt de neige ou la formation de glace en surface. Dans le cadre d’une démarche en faveur de l’emploi d’énergie renouvelable, un tel dispositif pourrait permettre de récupérer l’énergie thermique disponible en surface de chaussée en période chaude, de l’acheminer vers un lieu de stockage (ex : géothermie) et de l’utiliser en période froide. Nous étudions ici la fonction d’échangeur de chaleur entre le fluide et la chaussée, la fonction de stockage externe à la chaussée n’étant pas abordée hormis dans la revue bibliographique. La structure de chaussée considérée comporte trois couches d’enrobés. La couche de roulement et la couche de base sont constituées de matériaux classiquement utilisés dans les chaussées, à base de liants hydrocarbonés. Le matériau de la couche de liaison possède une porosité supérieure à 20%. La structure de chaussée est supposée avoir un dévers de l’ordre de 2%. Une chaussée expérimentale instrumentée a été mise en oeuvre pour recueillir des grandeurs thermo-physiques de la chaussée. Un modèle thermo-hydrique 2D est d2veloppé numériquement pour calculer la distribution de température dans le corps de chaussée lorsque l’on injecte un fluide à température d’entrée donnée, en haut de dévers. Les paramètres du modèle sont identifiés à partir des données expérimentales recueillies sous diverses sollicitations climatiques. On analyse dans un premier temps la sensibilité de la distribution de température en surface de chaussée aux différents paramètres du modèle (conductivité hydraulique, dévers, conductivités thermiques, chaleurs massiques), afin d’optimiser les procédures nécessaires au contrôle sous contraintes de températures positives en tout point. Dans une deuxième partie, des données expérimentales recueillies durant une période estivale d’un mois ont servi à valider le modèle thermique 1D. Une maquette de laboratoire a également permis d’identifier des paramètres en milieu saturé et non saturé. La dernière partie de thèse est consacrée au calcul des quantités énergétiques récupérables pendant la période estivale à l’aide des données de la réglEmentation thermique RT2012. Elles sont comparées aux quantités énergétiques de chauffage nécessaires pendant la période hivernale en s’appuyant sur des données de la RT2012 et des données de la Direction Interdépartementale des Routes Massif (DIR MC) ; l’objectif final étant de déterminer les performances énergétiques du système. / Winter maintenance operations for road networks are an important issue for maintaining the mobility in degraded situations, but generate high direct and indirect exploitation costs, particularly related to the intensive use of road de-icing and environmental impact. We study a road structure free of this penalty, thanks to a bonding drainage asphalt layer, circulated by a hot fluid, to prevent the deposition of snow or ice formation on the road surface. As part of an integrated vision of promoting the use of renewable energy, such device could be used to recuperate the thermal energy available in the road surface during the hot period, to transport it to a storage location (e.g. geothermal) and use it during cold period. We study here the heat exchanger function between the fluid and the road, the external storage function to the road being not addressed. The considered pavement structure has three asphalt layers.The bearing layer and the base layer are formed of conventional materials with hydrocarbon-based binders. The material of the bonding layer has a porosity of 20% and based on the use of a binder resistant to a prolonged circulation of the coolant. The road structure is assumed to have a slope of about 2 to 3%. An instrumented experimental road is implemented to collect data on the thermo-hydraulic response of the pavement structure. A thermo-hydraulic 2D model is designed to simulate the temperature field in the road structure when the fluid is injected at the upslope side of the road with a target temperature. This model is calibrated from experimental data collected on the experimental road subjected to meteorological solicitations. Initially, the sensibility of the distribution of the surface temperature of the road toward various model parameters (hydraulic conductivity, transversal slope, thermal conductivities, heat capacities) is analysed, in order to study the optimization of control procedures allowing to keep positive the road surface temperature at any point (e.g. determination of the minimum fluid injection temperature, under given meteorological data). In a second time, pavement thermal parameters is identified using control optimal method in order to validated unidimensionnel thermal model applied on July experimental data. In third time, hydraulic model is validated experimentaly using a laboratory mockup in saturated and unsaturated conditions. In a fourth time, thermo-hydraulic bidimensionnal model is validated numerically using mesured data of experimental pavement. Finally, harvest energy in summer period using thermal reglementation RT2012 data and heating energy in winter period using RT2012 and Massif Interdepartmental Road Direction (DIR MC) are calculated in order to evaluate system performance.

Les réacteurs GEN IV (GFR) nécessitent l’emploi de matériaux d’enrobage ayant une bonne transparence aux neutrons, une conductivité thermique élevée et agissant comme barrière de diffusion pour les produits de fission. Le but de cette étude est de déterminer le rôle de la température et de l’irradiation sur le comportement du xénon implanté dans l’oxycarbure de zirconium (ZrCxOy). A cet effet, des poudres de deux stoechiométries ZrC0,95O0,05 et ZrC0,8O0,2 ont été synthétisées puis frittées par frittage flash, ou sous charge. Pour étudier le rôle de la fluence d’implantation sur la migration thermique du xénon dans le ZrC0.95O0.05, des ions 136Xe2+ ont été implantés à une énergie de 800 keV à trois fluences : 1015, 1016 et 1017 at/cm². Les échantillons ont ensuite été recuits sous vide secondaire dans une gamme de températures de 1500 à 1800°C. Les profils de distribution du xénon ont été mesurés par RBS ou par SIMS. Des analyses par MET, MEB, NBS et PAS-DBS ont été réalisées à chaque étape. Cette étude a montré qu’à 1015 et 1016 at/cm2 le xénon est piégé dans des bulles nanométriques dans les murs de dislocations. A 1017 at/cm2, la coalescence des bulles de plus grandes tailles conduit au relâchement du xénon aux joints de grains. Pour les échantillons de ZrC0,8O0,2, les recuits conduisent à une oxydation de surface corrélée à un important relâchement du xénon. Parallèlement, des expériences d’irradiation ont été effectuées sur la plateforme JANNUS et auprès du Tandem afin de déterminer le rôle respectif des dégâts balistiques et électroniques sur la migration du xénon. Nous avons observé que ces conditions d’irradiation n’entrainaient pas de migration du xénon / Refractory ceramics are considered for the GEN IV reactors (GFR). Transition metal carbides, like ZrC, are candidates as components for fuel elements owing to their good thermal stability and their neutronic performance. An extensive study was carried out to elucidate the role of temperature on the diffusion of xenon, an abundant and volatile radionuclide, in zirconium oxycarbide. For that purpose, dense zirconium carbide samples ZrC0.8O0.2 and ZrC0.95O0.05 were synthesized using Spark Plasma Sintering and Hot Pressing. 136Xe2+ ions were implanted at three fluencies: 1015, 1016 and 1017 at/cm2, at an energy of 800 keV. Thermal annealing were carried out under vacuum in a temperature range of 1500°C to 1800°C. The Xe distribution profiles were measured either by Rutherford Backscattering Spectrometry or by Secondary Ion Mass Spectrometry before and after the different treatments. Our results show that the ZrC0.8O0.2 stoichiometry is not stable at high temperature and for the ZrC0.95O0.05 stoichiometry, the Xe migration behaviour depends on the implantation fluence. The role of the implantation defects, their evolution during annealing and the trapping of Xe into bubbles was evidenced using Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy and Transmission Electron Microscopy. In order to simulate the effects due to neutron irradiation, irradiation experiments were carried out at the JANNUS irradiation platform at CEA Saclay and the Alto Tandem accelerator at Orsay taking into account the respective roles of the ballistic and electronic processes. We observed that no xenon migration occurred after irradiation

Dans les réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium (RNR-Na), une défaillance dans le système de refroidissement du coeur ou de protection du réacteur peut conduire à un accident grave. Dans un tel scenario, les matériaux du coeur (combustible et acier) fondent pour former un mélange appelé corium susceptible d'interagir avec le réfrigérant (sodium). Une telle interaction (Fuel Coolant Interaction, FCI) peut générer des évènements énergétiques aptes à mettre en danger les structures du réacteur. La violence de l'explosion dépend essentiellement de l'état du mélange corium-sodium. Connaître les caractéristiques des trois phases en présence dans la zone d'interaction (corium, sodium liquide, vapeur de sodium) est donc crucial. Le manque de connaissances de la phénoménologie de l'interaction conduit à l'étudier au moyen de dispositifs expérimentaux. PLINIUS-2, la future plateforme expérimentale du CEA Cadarache consacrée aux grandes masses, sera dédiée à l'étude de la phénoménologie de l'interaction corium-réfrigérant (eau et sodium). L'objectif du présent travail est de développer, pour cette installation, un système d'imagerie basée sur des radiographies X afin de visualiser et de mieux comprendre l'interaction corium-sodium. Un algorithme de post-traitement de ces images a aussi été écrit afin de les analyser, d'en déduire la répartition des trois phases dans le système et de contribuer ainsi à l'amélioration de la modélisation numérique. Ce travail de thèse a été conduit en trois étapes. La première était consacrée à une étude bibliographique des expériences passées d'interaction corium-sodium et des mécanismes de fragmentation mis en jeu. Cette étude, complétée d'une analyse statistique des distributions de particules obtenue alors, a montré que les particules générées lors de ces expériences sont extrêmement fines avec des diamètres caractéristiques inférieurs au mm. Ces très petites tailles de particules combinées aux limites de détection de notre système d'imagerie nous ont amenés à travailler plutôt sur la détection de nuages de particules que de particules individuelles. Dans une deuxième étape, la simulation du nuage de particules de corium suivie de la conception de fantômes (maquettes 3D) représentant les trois phases du milieu ont été réalisées. Les simulations de nuages de fragments dans le sodium liquide et la vapeur ont été réalisées avec le logiciel CEA MODHERATO. Sur la base des résultats de ces calculs, certains fantômes ont été fabriqués afin de générer des images "réelles" à l'aide d'une chaîne d'imagerie existant au CEA. Ces fantômes représentatifs de la zone d'interaction corium-sodium ont été fabriqués pour faciliter le développement et la calibration du logiciel de traitement d'images. La troisième étape de cette thèse était dédiée à la conduite des expériences avec les fantômes 3D et au développement du logiciel de traitement des images ainsi obtenues. Les radiographies X des fantômes ont été générées à l'aide du système d'imagerie de l'installation KROTOS du CEA Cadarache. Les images ont ensuite été traitées avec le logiciel appelé PICSEL que nous avons développé afin de localiser les trois phases en présence dans la zone d'interaction. PICSEL a ensuite été appliqué à une expérience d'interaction corium-eau réalisée dans l'installation KROTOS dans le cadre du projet ALISA de collaboration Europe-Chine; ceci a permis une première validation du logiciel. Ainsi, lors de cette thèse, un système de radioscopie X a été défini pour visualiser l'interaction corium-sodium dans les expériences de la future installation PLINIUS-2 du CEA Cadarache. Une analyse qualitative des images produites par ce système (expériences menées avec des fantômes) est aussi réalisée avec le logiciel PICSEL développé lors de cette thèse afin de mieux caractériser le mélange, de mieux comprendre les mécanismes de l'interaction et de contribuer ainsi à l'amélioration de la sûreté des réacteurs à neutrons rapides. / In Sodium-cooled Fast Reactors (SFR), hypothetical failure of the core cooling system or the plant protection system may lead to a severe accident scenario. In such a scenario, core materials (fuel and cladding) melt down generating a hot molten mixture called corium. This corium may interact with the coolant (liquid sodium) leading to Fuel Coolant Interaction (FCI) which can generate energetic events and hence jeopardize the reactor structures. The yield of these energetic events strongly depends on the state of the corium-sodium mixture prior to the energetic event. Therefore, the knowledge of the features of the mixture composed of three-phases (i.e., corium, liquid sodium, and sodium vapor) is crucial. The lack of knowledge on the phenomenology of the interaction emphasizes the need to study it with the help of experiments. PLINIUS-2, the future large-mass experimental platform of CEA Cadarache, will be dedicated to experiments aiming at understanding the interaction phenomenology of prototypic corium with coolant (sodium and water). The present research aims to develop a high-energy X-Ray imaging system for this facility, to visualize and better understand the corium-sodium interaction. An image-processing algorithm to analyze the three-phase repartition is also developed to contribute to the improvement of numerical modeling. This Ph.D. research has been executed in three steps. In the first step, a bibliographic study of the past experiments was carried out to better understand the physics of the interaction and the mechanism of fragmentation during corium-sodium interaction. This bibliographic study, along with a statistical analysis of the particle size distribution data of various experiments conducted in the past, revealed that the particles formed in these tests are extremely fine fragments with characteristic diameters smaller than 1 mm. Due to the small particle size and the detection limitations of corium fragments in sodium with our X-Ray system, clouds of particles were detected instead of individual particles. In the second phase, the simulation of clouds of corium particles followed by the designing of phantoms (3D mock-ups) representing the 3-phase medium was carried out. Simulations of clouds of corium fragments in liquid sodium and vapor were performed using the CEA Cadarache in-house tool MODHERATO. Based on the results obtained from the simulations, certain phantoms were designed to conduct some physical experiments. These phantoms representative of the FCI interaction zone were manufactured to experimentally evaluate the performance of the radioscopy system and to facilitate the development and calibration of the image processing software. The third step of this work was dedicated to performing experiments with the phantoms and analyzing the radiographic images by developing an image processing algorithm. Experiments were carried out with phantoms in several configurations with the X-Ray radiography system at the CEA Cadarache KROTOS facility. The radioscopic images obtained were treated by developing a new comprehensive image processing and analysis code called PICSEL to identify the three phases composing the medium. Further verification and validation of the PICSEL software were carried out on a test conducted between corium and water at the KROTOS facility under the Euro-Chinese project “ALISA”. Thus, in this Ph.D. research, an X-Ray imaging system was qualified to visualize the corium-sodium interaction in the future PLINIUS-2-FR facility. A qualitative analysis of the images produced by this system was also performed using the PICSEL software to better characterize the evolution of the three-phase mixture and understand the FCI phenomenon, knowledge of which is deemed essential to improve the safety and designs of future sodium-cooled fast reactors.