La conception du coeur d’un réacteur nucléaire est fortement multidisciplinaire (neutronique, thermo-hydraulique, thermomécanique du combustible, physique du cycle, etc.). Le problème est aussi de type multi-objectif (plusieurs performances) à grand nombre de dimensions (plusieurs dizaines de paramètres de conception).Les codes de calculs déterministes utilisés traditionnellement pour la caractérisation des coeurs demandant d’importantes ressources informatiques, l’approche de conception classique rend difficile l’exploration et l’optimisation de nouveaux concepts innovants. Afin de pallier ces difficultés, une nouvelle méthodologie a été développée lors de ces travaux de thèse. Ces travaux sont basés sur la mise en oeuvre et la validation de schémas de calculs neutronique et thermo-hydraulique pour disposer d’un outil de caractérisation d’un coeur de réacteur à neutrons rapides à caloporteur sodium tant du point de vue des performances neutroniques que de son comportement en transitoires accidentels.La méthodologie mise en oeuvre s’appuie sur la construction de modèles de substitution (ou métamodèles) aptes à remplacer la chaîne de calcul neutronique et thermo-hydraulique. Des méthodes mathématiques avancées pour la planification d’expériences, la construction et la validation des métamodèles permettent de remplacer cette chaîne de calcul par des modèles de régression au pouvoir de prédiction élevé.La méthode est appliquée à un concept innovant de coeur à Faible coefficient de Vidange sur un très large domaine d’étude, et à son comportement lors de transitoires thermo-hydrauliques non protégés pouvant amener à des situations incidentelles, voire accidentelles. Des analyses globales de sensibilité permettent d’identifier les paramètres de conception influents sur la conception du coeur et son comportement en transitoire. Des optimisations multicritères conduisent à des nouvelles configurations dont les performances sont parfois significativement améliorées. La validation des résultats produits au cours de ces travaux de thèse démontre la pertinence de la méthode au stade de la préconception d’un coeur de réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium. / Nuclear reactor core design is a highly multidisciplinary task where neutronics, thermal-hydraulics, fuel thermo-mechanics and fuel cycle are involved. The problem is moreover multi-objective (several performances) and highly dimensional (several tens of design parameters).As the reference deterministic calculation codes for core characterization require important computing resources, the classical design method is not well suited to investigate and optimize new innovative core concepts. To cope with these difficulties, a new methodology has been developed in this thesis. Our work is based on the development and validation of simplified neutronics and thermal-hydraulics calculation schemes allowing the full characterization of Sodium-cooled Fast Reactor core regarding both neutronics performances and behavior during thermal hydraulic dimensioning transients.The developed methodology uses surrogate models (or metamodels) able to replace the neutronics and thermal-hydraulics calculation chain. Advanced mathematical methods for the design of experiment, building and validation of metamodels allows substituting this calculation chain by regression models with high prediction capabilities.The methodology is applied on a very large design space to a challenging core called CFV (French acronym for low void effect core) with a large gain on the sodium void effect. Global sensitivity analysis leads to identify the significant design parameters on the core design and its behavior during unprotected transient which can lead to severe accidents. Multi-objective optimizations lead to alternative core configurations with significantly improved performances. Validation results demonstrate the relevance of the methodology at the predesign stage of a Sodium-cooled Fast Reactor core.

Depuis plusieurs décennies, une importante activité scientifique se concentre sur la description numérique, théorique ou expérimentale de l'hydrodynamique des écoulements multiphasiques. Ces écoulements sont caractérisés par l'existence d'interfaces, et d'une force à l'interface, la tension superficielle, séparant généralement deux fluides non miscibles. Un cas d'étude dans ce contexte est le problème du drainage d'une unique goutte dans une phase continue, l'ensemble étant soumis à la gravité. Ce système fait apparaître des écoulements récemment décrits pour une goutte d'eau dans l'huile de paraffine. Ce système constitue également un modèle simple pour l'étude des propriétés aux interfaces, Mais d'un point de vue numérique, se pose alors le problème de la stabilité des algorithmes pouvant être utilisés. Les effets aux interfaces impliquent en effet des domaines spatiaux très limités dans lesquels les grandeurs physiques entre les deux fluides sont discontinues. D'importants artéfacts numériques peuvent alors être générés dans les simulations et faire perdre la richesse de la physico-chimie du système considéré. Le problème de la simulation d'écoulements multiphasiques intéresse aussi bien le monde académique que le monde industriel. L'objectif de ce travail de thèse est donc d'implémenter les techniques numériques les plus récentes et de développer un code pour permettre la simulation de l'hydrodynamique de systèmes dispersés. Pour parvenir à ce but, il reste encore des problèmes algorithmiques importants à résoudre comme la prise en compte des effets thermocapillaires et thermosolutaux. Ces deux derniers points sont l'objet de cette thèse. / For several decades, an important scientific activity has focused on the numerical, theoretical and experimental hydrodynamics of drops. This work presents numerical results of a single droplet in the gravity field and in non-isothermal conditions. The simulation such a multiphase system is important in both academic and industrial world. This is particularly the case in the field of emulsions, wetting problems and evaporation. To achieve this goal, there are still important algorithmic problems due to the free moving interfaces and the description of capillary effects. Here, a Volume of Fluid technique has been implemented with high order temporal and spatial schemes to preserve the sharpness of the drop interface. The system under consideration is a simplified model consisting in a single water droplet in a continuous paraffin oil phase. These liquids are immiscible and non-compressible and the overall evolution is unsteady. Capillary contributions such as temperature and surfactant dependent surface tension are fully accounted for. This presentation is aimed to show the capabilities of VOF techniques for the simulations of unsteady multiphase systems in non-isothermal configurations. The role of the droplet initial position and temperature field is described with good numerical stability. There are still important problems remaining in the simulation of free interface systems with such a technique. Spurious currents induced by the description of capillarity can in particular come into play. But these latter can be controlled once the droplet average velocity due to drainage becomes large enough.

Ce travail concerne l'étude thermohydraulique d'un écoulement d'hélium superfluide diphasique en conduite horizontale, comparable à celui mis en œuvre dans le refroidissement des aimants supraconducteurs du LHC au Cern. On montre que pour des vitesses de vapeur de quelques 3 à 4 m.s\mun, la phase liquide initialement stratifiée subit une atomisation qui se traduit par la présence d'un brouillard de gouttelettes transporté par la phase vapeur. Ceci a pu être montré en hélium superfluide comme en hélium normal sans différence majeure sur l'atomisation. Grâce à différents instruments et dispositifs de visualisation, plusieurs corrélations ont pu être mesurées entre la fraction de gouttelettes entraînées et la capacité frigorifique de l'écoulement diphasique, et ceci en fonction de paramètres expérimentaux comme le niveau liquide, la vitesse de la vapeur, ou encore sa densité.

Les travaux de recherche présentés visent, de manière générale, à répondre aux enjeux majeurs de gestion rationnelle et de maîtrise de l'énergie (transport et stockage de l'énergie thermique), à développer des solutions pertinentes et proposer des outils d'analyse thermodynamique pour la minimisation des impacts environnementaux induits par la transformation ou la conversion de l'énergie thermique. Les différentes thématiques développées s'articulent selon trois axes. Le premier volet concerne le développement d'outils d'analyse thermodynamique pour l'évaluation, la conception et l'optimisation de la qualité thermodynamique des procédés de transformation/conversion de l'énergie thermique. Le second volet est lié aux problématiques spécifiques des transformateurs thermochimiques, basés sur la gestion de la thermicité de réactions solide/gaz, en tenant compte des interactions existantes aux diverses échelles du procédé en fonction d'objectifs applicatifs fixés : choix et mise en œuvre du solide réactif, configuration optimale du réacteur S/G et sa gestion dynamique au cours du cycle. Cette approche est illustrée à travers diverses applications de finalité énergétique différente : la production pseudo-continue de chaleur et/ou de froid, la production de chaleur ou de froid de forte puissance instantanée, le rafraîchissement solaire pour l'habitat, la congélation solaire, le stockage de chaleur solaire de forte densité énergétique et de longue durée, le transport de chaleur ou de froid à longue distance. Le dernier volet de ces travaux concerne le développement de nouveaux procédés thermo-hydrauliques plus spécifiquement adaptés à la conversion énergie thermique/travail et dont le potentiel semble prometteur pour des applications de production d'électricité à partir d'énergie solaire ou de l'énergie thermique des mers, ou la production performante de froid/chaleur dans les véhicules automobiles.