Un accident d’insertion de réactivité (RIA) dans un cœur nucléaire pourrait provoquer la rupture d’une gaine et l’éjection d’une fine poudre de combustible chaud dans le caloporteur. La réponse du fluide peut être violente. L’étude de cette interaction (Fuel/Coolant Interaction FCI) est importante pour la sûreté nucléaire. Plusieurs études et expériences ont été menées avec de l’eau ou du sodium ou sont prévues dans le cadre des essais intégraux du programme international dans le réacteur CABRI. Cependant, les conditions complexes ne permettent pas la mesure des grandeurs locales nécessaires à l’étude de la dynamique de vaporisation. En effet, effectuer des expériences de vaporisation violente avec de l’eau requiert beaucoup d’énergie et des équipements résistant aux hautes pressions, notamment pour reproduire les conditions de fonctionnement d’une centrale nucléaire de type REP. Il est ainsi intéressant d’utiliser un autre fluide, tel que le dioxyde de carbone, dont les propriétés thermodynamiques (pression critique, enthalpie de vaporisation...) réduisent ces contraintes. Néanmoins, afin de pouvoir comparer et utiliser les observations de l’expérience, il est indispensable d’établir et de vérifier des lois de similitudes entre les deux fluides. L’étude de ces similarités entre l’eau et le dioxyde de carbone a établi qu’en conservant la pression réduite ainsi que le titre thermodynamique, on obtient des rendements similaires pour la conversion de l’énergie thermique en travail avec des énergies mises en jeu divisées par cinq. Ceci a permis d’envisager la conception et la réalisation d’un banc d’essais pour provoquer l’interaction thermique violente au sein d’un fluide. Afin de reproduire la cinétique de l’interaction, la géométrie du système a été adaptée. L’impulsion d’énergie au sein du fluide est générée à l’aide d’un filament de tungstène subissant la décharge d’une batterie de condensateurs à l’extrémité basse d’un cylindre. Au-dessus de ce cylindre, un réservoir de grand volume offre une source de compressibilité. L’enceinte contenant le CO2 liquide aux conditions thermodynamiques adaptables est instrumentée à l’aide de capteurs de pression le long du tube et des sondes optiques pour repérer la phase vapeur. Ce banc expérimental a permis d’acquérir des observations locales de la réaction telle que la montée en pression du liquide. Un pic de pression franc a été observé pour des impulsions d’énergie relativement faible, de l’ordre de 0,2 kJ. Plusieurs études sur les paramètres d’influences ont été menées. Notamment, l’influence de l’énergie, du diamètre du fil et du sous-refroidissement. / During a reactivity insertion accident, the temperature and the pressure rapidly increase inside the rod and can lead to the rupture of the clad and the ejection of fuel toward the coolant. Since the fuel could be finely fragmented, the thermal interaction between fuel and coolant (FCI) could create a pressure wave as well as a large vapor volume. Safety-related consequences of the FCI may be related to both phenomena. Past experimental studies concerning such a RIA related FCI are in-pile experiments in thermal hydraulics conditions that differ from PWR conditions. Therefore validation of a simulation tool from these data and extrapolation to reactors conditions is subject to uncertainties. This experimental study is devoted to the violent thermal interaction between a hot material and a fluid. An experimental bench has been designed. It is mainly a cylindrical tube, where the interaction takes place, connected to a larger vessel as a compressibility tank. To reduce the required level of energy as well as temperature and pressure conditions, liquid carbon dioxide has been chosen to simulate water in PWR conditions. Respect of thermodynamics similarity criteria allows to lower pressure by a factor 3 and energy per unit mass fluid by a factor 5. To produce the energy pulse, a tungsten wire is heated by Joule effect from the discharge of a 27 mF capacity. Design of the tank allows for a relatively long mechanical relaxation of the coolant with regards to the heat transfer kinetics. The pressure wave is recorded thanks to four dynamic pressure sensors along the tube. Two dual tip fiber optical probes allow characterizing the kinetics of vapor formation near the wire. The data acquisition system operates with a required frequency of the MHz range. This test bench allows to record the local behavior of the fluid such as the pressurization of the liquid. A very clear pressure wave have been recorded just after weak energy pulse around 0.2 kJ. The influence of some major parameters on these quantities have been studied. For example, the liquid level in the tank is increased between two tests up to be totally fu ll, so, the influence of the compressibility is highlighted. Also, three different wire diameters have been used to modify the heat transfer kinetics. Finally, several intensities of the energy pulse have been considered. All these studies help to improve the understanding on the thermal interaction potentially involved in the nuclear reactor safety context.

Dans de nombreuses régions du monde, d’immenses réserves gazéifères dites non conventionnelles sont piégées dans des roches faiblement perméables qui ne peuvent pas être exploitées par des méthodes de forage classiques. Bien que très controversée, la seule méthode d’exploitation de ces gisements repose actuellement sur la technique de fracturation hydraulique. Pour ces raisons, une collaboration de recherche a débuté en 2007 entre la société TOTAL et le Laboratoire de Génie Electrique de l’université de Pau (récemment devenu le laboratoire SIAME), visant à étudier l’opportunité d’utiliser la fracturation électrique comme solution alternative à la fracturation hydraulique. Cette méthode repose sur un procédé dynamique de fracturation de la roche par application d’une onde de pression créée suite à l’initiation d’un arc électrique dans un liquide. Ce travail, financé par TOTAL dans le cadre d’une bourse CIFRE, s’inscrit dans la continuité de travaux déjà engagés sur cette thématique et vise particulièrement à approfondir les connaissances concernant le cœur du procédé de fracturation : la décharge électrique dans l’eau et la caractérisation de l’onde de pression résultante. Dans cette optique, l’importance du circuit et des paramètres électriques de l’arc a été démontrée en termes d’injection de courant et de transfert de puissance. Une formule empirique permettant de prévoir la valeur de la pression dynamique a, par conséquent, été établie. Afin d’optimiser le rendement électro-acoustique, une étude spécifique a été menée sur l’effet du mode de rupture diélectrique du fluide. Ces travaux ont également permis de proposer des solutions concernant le contrôle de la dynamique de l’onde de pression. Enfin, les effets des propriétés thermodynamiques du fluide sur sa rigidité diélectrique, sur la consommation d’énergie, ainsi que sur la propagation de l’onde de pression ont été analysés afin d’établir une série de conclusions permettant d’optimiser le procédé. / Numerous parts of the world contain huge unconventional gas reserves which are located in low permeability rocks, and consequently, cannot be produced by classical drilling techniques. Besides its numerous detractors, the only currently available method to exploit these reservoirs relies on hydraulic fracturing. For these reasons, a research collaboration was started in 2007 between the Total Company and the Electrical Engineering Laboratory of Pau university (recently renamed SIAME Laboratory). The main goal was to study the potential concerning the use of the electrical fracturing technique as an alternative to hydraulic fracturing. This method is based on a dynamic rock fracturing process through the applying of a pressure wave enhanced by the generation of an electrical arc into a liquid. This work, which is financed by TOTAL through a CIFRE funding, follows the track initiated on this topic and mainly intends to improve the knowledge concerning the critical part of the fracturing process: the electrical discharge in water and the resulting pressure wave characterization. In this purpose, the importance of the circuit and of the arc electrical parameters was demonstrated in terms of current injection and power transfer. An empirical formula used to predict the dynamic pressure value has consequently been established. In order to optimize the electro acoustic efficiency, a specific study was performed on the liquid dielectric breakdown modus. This work allowed us to suggest new solutions concerning the dynamic pressure wave control. Finally, the fluid thermodynamic properties effects on its dielectric strength, on the energy consumption, and on the pressure wave propagation were analyzed in order to draw conclusions for the process optimization.

La modélisation des moteurs à combustion interne nécessite une compréhension fine de la vidange et du remplissage en air ou en mélange des cylindres. Pour ce faire, une analyse bibliographique des différents phénomènes intervenant sur ces paramètres et des modèles apparentés est faite. Une revue des différents moyens d'essais de la littérature est également effectuée. Des essais en condition stationnaire sur une culasse issue d'un moteur produit en série sont ensuite effectués. L'analyse de ces résultats est faite au regard des trois principaux modèles de soupape : Barré de StVenant, Benson et Blair. L'étude des hypothèses de ces trois modèles ayant montré leur équivalence en écoulement sortant d'une tubulure, l'accent est mis sur l'impact des différentes hypothèses sur les résultats expérimentaux. Les trois modèles prenant pour hypothèse un écoulement stationnaire au col de la soupape, des essais instationnaires sont ensuite effectués. Ces données sont ensuite comparées à des résultats de simulation issus des trois précédents modèles. Les différences entre les trois modèles en écoulement sortant d'un cylindre et rentrant dans une tubulure apparaissent et sont analysées. Enfin, l'hypothèse d'absence de transferts thermiques est remise en cause. Des essais à haute température sont pour cela effectués. Les conditions d'essais ne permettant pas quantifier correctement ces transferts thermiques, un modèle d'écoulement au travers des soupapes prenant en compte les transferts thermiques est proposé. Son étude théorique permet d'évaluer l'impact de ces transferts sur la vidange et le remplissage du cylindre.