Pour évaluer la gravité d'un accident de feu de boîte à gants dans une installation nucléaire, il est important de connaitre le terme source, qui est la quantité de matière radioactive mise en jeu. On cherche à identifier les phénomènes à l'origine de la libération de contaminants particulaires lors de la dégradation thermique de ces boîtes à gants. Deux matériaux (alumine et carbure de tungstène) ont été retenus pour simuler le comportement du contaminant considéré, le dioxyde de Plutonium. Deux dispositifs expérimentaux ont été conçus afin de contaminer et de dégrader thermiquement des plaques de Plexiglas (PMMA). Un ensemble d'essais à petite échelle a également permis de mieux comprendre les phénomènes à l'origine de la libération ou du piégeage des particules. La masse volumique du matériau utilisé a un impact direct sur l'émission des particules, la granulométrie des particules a un impact lorsque la dégradation thermique est rapide (flux thermique élevé). Ceci s'explique par l'interaction entre les particules émises et l'écoulement en proche paroi, phénomène qui a pu être observé expérimentalement. Une modélisation numérique de la situation étudiée a été réalisée et a permis de reproduire partiellement les résultats expérimentaux. Des améliorations peuvent encore être apportées, notamment sur la représentation du phénomène de piégeage des particules dans la matrice polymère. Cette étude pourra également donner des éclaircissements sur la problématique de l'émission des nanoparticules lors de la combustion de polymères nanochargés. / In order to assess the consequences of a glove box fire occurring in a nuclear facility, it is important to gather information on the source term, the amount of radioactive material that can be emitted to the environment. The objective is to identify the different phenomenon contributing to the release of radioactive particles from the surface of glove box materials undergoing pyrolysis. Two materials (alumina and tungsten carbide) were chosen as possible surrogates of the considered radioactive material, which is Plutonium dioxide. Two experimental facilities were designed to generate deposit on Plexiglas (PMMA) plates and burn them. Several small-scale experiments were also conducted to obtain knowledge of the phenomenon causing the release or trapping of the particles. Material density was found to have a direct impact on the release of particles, while particle size distribution had an impact only for fast thermal degradation (corresponding to high external heat flux). The reason is the strong interaction between the particles and the air flow close to the sample surface, which has been observed experimentally. A theoretical model of the problem was constructed, it was able to reproduce the experimental results, albeit partially. Improvements can be made, especially on the modelling of the trapping of particle by the polymer matrix. This study could help in understanding the problematic of nanoparticle emission from burning nanomaterials.

Dans les analyses de sûreté du futur réacteur à fusion ITER, on anticipe un accident de perte de vide susceptible de mettre en suspension des particules produites et déposées sur les parois du tore. L’objectif de cette thèse est de fournir des données expérimentales fiables afin de développer et valider un modèle de mise en suspension (MES), prenant en compte la basse pression et prévoyant les fractions de particules mobilisées lors d’un tel évènement. Pour ce faire, des expériences ont été effectuées en fonction des paramètres clés — diamètre des particules, vitesse de frottement et masse volumique — entrant dans le mécanisme de MES. L’analyse de la granulométrie des particules de tungstène produites en tokamak met en évidence des diamètres allant de 0,1 à 10 µm. Les résultats expérimentaux de MES de dépôts monocouche sont en bon accord avec le model Rock’nRoll lorsque les particules sont uniquement mobilisée par le fluide. Cependant, une mobilisation des particules fines par agglomération, non prise en compte dans les modèles de MES, a été mise en évidence. Mes expériences ont aussi révélé l’importance de la structure (porosité et épaisseur) des dépôts multicouches dans le mécanisme de MES avec, là encore, une mobilisation par agglomération de particules. L’effet de la basse pression dans la mise en suspension a été étudié entre 10 et 1 000 mbar et doit se poursuivre à plus basse pression. Mes résultats de MES montrent une réduction du frottement dans les forces aérauliques à basse pression. Enfin, les mesures de la cinétique du phénomène de MES ont mis en évidence trois zones distincts avec un effet à court terme, un effet à long terme et une zone de transition qui devront être pris en compte dans un calcul de MES. / In ITER, a loss of vacuum accident is likely to re-suspended particles produced and deposited on the torus walls. The thesis purpose is to provide reliable experimental data to develop and validate a re-suspension model, taking into account the low pressure and predicting the amount of particles mobilized during such event. Experiences were carried out as a function of key parameters — particle diameter, friction velocity and density of the atmosphere — entering in the re-suspension mechanism. The size distribution of tungsten particles specific to fusion reactors was obtained from a collection in the AUG tokamak: modes at 0,8 µm and at 1,6 µm. The adhesion forces, adjustment parameters of most re-suspension models, were measured by Atomic Forces Microscopy (AFM). Experimental data of re-suspension of monolayer and multilayers deposits were acquired in two wind-tunnels: BISE-II (Saclay) and AWTS-II (Aarhus). For the monolayer deposits, the re-suspended particle fractions were measured by size bins, for friction velocities of 1.0 and 1.5 m.s-1 at 1,000 mbar, and of 1.0 m.s-1 at 300 mbar. Regarding the multilayers deposits, the re-suspension was measured for five surrounding pressures (25, 60, 10, 300 and 1,000 mbar), constituting a valuable data base for the development of a re-suspension model taking into account the mobilisation by particle clustering and the effect of a low pressure. Finally, measurements of the MES phenomenon kinetic highlighted three distinct regions with a short-term effect, long-term effect and a transition region which must be taken into account in a MES calculation.

Lors des interventions humaines pendant les arrêts de tranche des installations nucléaires d’EDF, on remarque une remise en suspension de certains radionucléides sous forme d’aérosols (1 µm < dp < 10 µm). Dans le cadre d’une augmentation des interventions effectuées de façon simultanée en bâtiment réacteur, il devient important de mieux comprendre la remise en suspension due à l’activité des opérateurs pour adapter leur radioprotection. Le but des travaux de cette thèse est de quantifier la remise en suspension des particules suite à la marche des opérateurs sur un sol faiblement contaminé. Pour cela, la démarche suivie consiste à coupler un modèle de remise en suspension aéraulique avec des calculs numériques d’écoulement sous une chaussure, puis à caractériser expérimentalement certains paramètres d’entrée du modèle (diamètre de particule, forces d’adhésion, mouvement de la chaussure).Le modèle de remise en suspension Rock’n’Roll proposé par Reeks et Hall (2001) a été choisi car il décrit de manière physique ce mécanisme et est basé sur le moment des forces appliquées à une particule. Il nécessite la maîtrise de paramètres d’entrée tels que la vitesse de frottement de l’air, la distribution des forces d’adhésion et le diamètre des particules.Concernant le premier paramètre, des simulations numériques d’écoulement ont été réalisées, à l’aide du code de calcul ANSYS CFX, sous une chaussure de sécurité en mouvement (numérisée par CAO 3D) ; les cartographies des vitesses de frottement obtenues donnent des valeurs de l’ordre de 1 m.s⁻ ¹ pour une vitesse angulaire moyenne de 200 °.s⁻ ¹ .Concernant le deuxième paramètre, des mesures AFM (Atomic Force Microscope) ont été réalisées avec des particules d’alumine ainsi que des particules d’oxyde de cobalt en contact avec des surfaces en époxy représentatives de celles rencontrées dans les installations d’EDF. L’AFM permet d’obtenir la distribution des forces d’adhésion et révèle une valeur moyenne bien plus faible que ce qui peut être calculé de façon théorique en utilisant par exemple le modèle JKR proposé par Johnson et al. (1971). De plus, cette technique, tenant compte des rugosités de surface, montre que plus la taille de la particule augmente, plus la moyenne des forces d’adhésion diminue. Enfin, l’analyse des mesures AFM a permis d’obtenir une corrélation liant la distribution des forces d’adhésion au diamètre des particules, remplaçant celle de Biasi et al. (2001) initialement utilisée dans le modèle Rock’n’Roll et permettant ainsi d’adapter le modèle aux particules et aux revêtements de sol étudiés. Le couplage, effectué dans le code de calcul ANSYS CFX, entre les calculs de vitesses de frottement et le modèle de remise en suspension, a permis de déterminer des taux de remise en suspension théoriques pour le cas d’un cycle unique de marche. Ce couplage a été dans un premier temps validé par une comparaison à l’expérience pour le cas simple d’une plaque en rotation dans un volume contrôlé. En complément, des expériences à l’échelle d’un local ventilé de 30 m³ ont été réalisées en marchant sur un revêtement époxy ensemencé en particules de tailles calibrées (1,1 µm et 3,3 µm). Ces expériences ont permis de mettre en évidence les paramètres influant la remise en suspension des particules, tels que la fréquence de pas et la taille des particules. / In nuclear facilities, during normal operations in controlled areas, workers could be exposed to radioactive aerosols (1 µm < dp < 10 µm). One of the airborne contamination sources is particles that are initially seeded on the floor and could be removed by workers while they are walking. During the outage of EDF nuclear facilities, there is a resuspension of some radionuclides in aerosol form (1 µm < dp < 10 µm). Since the number of co-activity will increase in reactors buildings of EDF, it becomes important to understand particle resuspension due to the activity of the operators to reduce their radiation exposure. The purpose of this Ph.D thesis is to quantify the resuspension of particles due to the progress of operators on a contaminated soil. Thus, the approach is to combine an aerodynamic resuspension model with numerical calculations of flow under a shoe, and then to characterize experimentally some input parameters of the model (particle diameter, adhesion forces, shoes motion).The resuspension model Rock'n'Roll proposed by Reeks and Hall (2001) was chosen because it describes physically the resuspension mechanism and because it is based on the moment of forces applied to a particle. This model requires two input parameters such as friction velocity and adhesion forces distribution applied on each particle.Regarding the first argument, numerical simulations were carried on using the ANSYS CFX software applied to a safety shoe in motion (digitized by 3D CAO); the mapping of friction velocity shows values of about 1 m.s⁻ ¹ for an angular average velocity of 200 °.s⁻ ¹ . As regards the second parameter, AFM (Atomic Force Microscopy) measurements were carried out with alumina and cobalt oxide particles in contact with epoxy surfaces representative of those encountered in EDF power plants. AFM provides the distribution of adhesion forces and reveals a much lower value than what can be calculated theoretically using JKR model (Johnson et al. (1971)). Moreover, this technique, taking into account the surface roughness, shows that adhesion forces decrease while particle diameter increase. Finally, the analysis of AFM measurements gives a correlation linking the distribution of adhesion forces to the particle diameter, replacing the one given by Biasi et al. (2001) originally used in the Rock'n'Roll model and thereby adapt the model to particles and flooring studied in our case.Coupling, performed in ANSYS CFX software, between the calculations of friction velocity and model of particle resuspension, gives theoretical resuspension rate during shoe motion. This coupling was initially validated by comparison to the experience for the simple case of a rotating plate in a controlled volume. Secondly, experiments at the scale of a ventilated room of 30 m³ were performed by walking on an epoxy coating initially seeded by calibrated particle size (1,1 µm and 3,3 µm). These experiments highlight the parameters influencing the suspension of particles, such as step frequency and particle size.

Naaim et Gurer (1998) proposent une modélisation des avalanches de neige par le modèle dit « bi-couche ». L'avalanche y est décrite comme la superposition de deux couches : proche du sol une couche où l'écoulement est collisionnel, au dessus une couche au sein de laquelle l'écoulement est diphasique et turbulent. Ces deux couches ont chacune une dynamique propre distincte ; des échanges de masse et de quantité de mouvement ont lieu dans la zone d'interface séparant les deux couches. Le travail présenté ici propose une étude de cette interface vue comme lit d'écoulement de la couche supérieure. Pour cela, une modélisation expérimentale par bouffée de densité saline s'écoulant dans un canal noyé a été mise en place. Les mesures ont été réalisées par prise et analyse d'images. Cela a permis d'étudier l'influence du lit d'écoulement sur la dynamique de la bouffée et de localiser l'érosion qu'elle engendre appelée reprise. Ces résultats ont été confrontés à une large analyse bibliographique et à une analyse conceptuelle du phénomène de reprise. Une formulation analytique de la reprise prenant en compte une atténuation de la turbulence, par le fait de la présence de particules en suspension dans l'écoulement, a alors été proposée. Elle a été intégrée à une modélisation numérique reproduisant correctement les résultats observés expérimentalement.

Ce travail numérique porte sur le comportement de la lutocline (interface entre l'eau et la vase fluide) en écoulement cisaillé et vise à une meilleure compréhension des mécanismes de remise en suspension de sédiments cohésifs. La crème de vase, ou vase partiellement solidifiée, est modélisée par un fluide homogène équivalent miscible dans l'eau, de rhéologie newtonienne ou viscoplastique. Une étude de l'hydrodynamique de cet écoulement stratifié en densité ainsi qu'en viscosité est ensuite proposée. Considérant une crème de vase initialement non-turbulente, l'étude se focalise sur le développement des instabilités au niveau de la lutocline et de la transition vers une couche de mélange turbulente. La particularité de cet écoulement réside dans la forte viscosité de vase et son seuil de mise en mouvement lorsqu'elle présente un caractère viscoplastique. Une étude de stabilité linéaire permet d'évaluer l'influence des différents paramètres de l'écoulement, notamment les stratifications en densité et en viscosité. La stratification en viscosité augmente sensiblement le taux de croissance de l'instabilité pour des nombres de Reynolds intermédiaires. L'évolution non-linéaire de l'écoulement est ensuite étudiée en utilisant des simulations numériques directes, la stratification en viscosité entrainant un épaississement de la couche de mélange finale. Enfin, des simulations numériques directes basées sur un modèle de fluide de Bingham régularisé permettent d'étudier l'influence de la contrainte seuil sur le développement de l'instabilité. / This numerical study focuses on the behavior of the lutocline in a shear flow and aims to better understand the mechanism of resuspension of cohesive sediment. Mud flow, or mud partially consolidated, is modeled by an equivalent homogenous fluid miscible in water, with newtonian or viscoplastic rheology. A study of the hydrodynamics of this shear flow, stratified both in density and viscosity, is presented. Considering an initially laminar mud flow, the focus of the study is on the development of instabilities on the lutocline and the transition to a turbulent mixing layer. The specificity of this flow lies on the large viscosity of the mud and its threshold to be put in motion, when it presents a viscoplastic feature. A linear stability study assesses the influence of the various parameters of the flow, especially of density and viscosity stratification. The viscosity stratification slightly increases the growth rate of the instability for intermediate Reynolds numbers. Then, the non linear evolution of the flow is studied by using direct numerical simulations, viscous stratification leading to a thicker mixing layer. At last, direct numerical simulations based on a Bingham regularized model, permits to study the influence of the critical strain on the development of the instability.