L'ébullition est présente dans la vie de tous les jours et elle a été par conséquent le sujet de beaucoup d'études, mais pour la plupart en régimes stationnaires. Néanmoins, l'intérêt de connaître les caractéristiques de l'ébullition transitoire est aussi important notamment pour la prévention des accidents nucléaires majeurs. C'est justement dans l'optique de mieux comprendre les phénomènes d'ébullition qui se produisent lors d'un RIA (Accident d'Insertion de Réactivité) que cette thèse a été financée par l'IRSN. Le RIA est un accident qui peut résulter d'une défaillance du mécanisme de la grappe contrôlant la réaction nucléaire. La réaction s'emballe pendant quelques dizaines de millisecondes (pulse de puissance) provoquant une augmentation rapide de la température du crayon de combustible et donc l'évaporation du liquide qui l'entoure. Des tests ont été faits par le passé soit sur des crayons de combustibles, soit sur des tubes chauffés ayant les mêmes dimensions qu'un crayon, afin d'améliorer la connaissance de ce phénomène. Par contre, les mesures étaient entachées d'incertitudes importantes, dues à des techniques de mesure non appropriées à des phénomènes si rapides. L'objectif de ce travail a été de concevoir et mettre en place une expérience capable de simuler un RIA à petite échelle, pour mieux comprendre les caractéristiques de l'ébullition lorsque la paroi monte en température très rapidement. De plus, ce dispositif expérimental devait être apte à étudier des montées en température moins violentes pour améliorer la connaissance de l'ébullition transitoire en général. Cette expérience a été conçue à l'Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse. Elle est constituée d'une feuille métallique d'acier de 50µm d'épaisseur, formée en demi cylindre (8mm de diamètre et 200mm de longueur) et chauffée par effet Joule. Elle est entourée par du fluide réfrigérant HFE7000, qui permet de travailler en similitude par rapport au cas réel en eau. Le fluide est confiné par un deuxième demi cylindre en verre, ayant 34mm de diamètre. Les expériences peuvent être en vase ou avec écoulement, écoulement qui a été caractérisé par des mesures PIV. Plusieurs débits peuvent donc être employés et le sous-refroidissement du liquide est aussi ajustable. L'emploi d'une alimentation pilotable et très flexible permet d'obtenir des chauffages du métal jusqu'à 2500K/s, mais aussi des montées en température plus faibles, pour tracer des courbes d'ébullition stationnaires ou faiblement transitoires. La température de la paroi est mesurée grâce à une caméra infrarouge, couplée à des visualisations rapides et à des mesures de pression et température dans le liquide. / Boiling phenomena can be found in the everyday life, thus a lot of studies are devoted to them, especially in steady state conditions. Transient boiling is less known but still interesting as it is involved in the nuclear safety prevention. In this context, the present work was supported by the French Institute of Nuclear Safety (IRSN). In fact, the IRSN wanted to clarify what happens during a Reactivity-initiated Accident (RIA). This accident occurs when the bars that control the nuclear reactions break down and a high power peak is passed from the nuclear fuel bar to the surrounding fluid. The temperature of the nuclear fuel bar wall increases and the fluid vaporises instantaneously. Previous studies on a fuel bar or on a metal tube heated by Joule effect were done in the past in order to understand the rapid boiling phenomena during a RIA. However, the measurements were not really accurate because the measurement techniques were not able to follow rapid phenomena. The main goal of this work was to create an experimental facility able to simulate the RIA boiling conditions but at small scale in order to better understand the boiling characteristics when the heated-wall temperature increases rapidly. Moreover, the experimental set-up was meant to be able to produce less-rapid transients as well, in order to give information on transient boiling in general. The facility was built at the Fluid-Mechanics Institute of Toulouse. The core consists of a metal half-cylinder heated by Joule effect, placed in a half-annulus section. The inner half cylinder is made of a 50 microns thick stainless steel foil. Its diameter is 8mm, and its length 200mm. The outer part is a 34mm internal diameter glass half cylinder. The semi-annular section is filled with a coolant, named HFE7000. The configuration allows to work in similarity conditions. The heated part can be place inside a loop in order to study the flow effect. The fluid temperature influence is taken into account as well. A flexible power supply that can generate a free-shape signal, allows to get to a wall-temperature increase rate up to 2500 K/s but also to obtain lower rates, which permits to study weaker transients and steady state conditions. The thermal measurements are realised by means of an infra-red camera and a high-speed camera is employed in order to see the boiling phenomena at the same time. From the voltage and current measurements the heat flux that is passed to the fluid is known.

L’étude de l’ébullition transitoire est un enjeu important pour la sureté nucléaire. Un tel phénomène peut se produire lors d’un accident de type RIA (Reactivity Initiated Accident)dans un réacteur nucléaire où le pic de puissance au niveau d’un crayon de combustible peut déclencher une ébullition transitoire conduisant à une forte augmentation de la température de la gaine et à un risque de rupture. Plusieurs études en conditions réacteurs ont permis d’obtenir des courbes d’ébullition transitoires mais la modélisation qui en découle manque encore de fiabilité. Dans le cadre d’une collaboration avec l’Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN), une expérience modèle a été construite à l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT). Elle génère un écoulement de réfrigérant HFE7000 dans un canal de section semi-annulaire, simulant l’écoulement autour d’un crayon de combustible, dont la partie intérieure, composée d’une feuille de métal, est chauffée rapidement par effet Joule, simulant l’échauffement de la gaine du crayon. La thermographie infra-rouge permet de mesurer la température de la paroi externe du métal. L’application d’une peinture noire sur le métal augmente son émissivité mais aussi la résistance thermique de la paroi. La précision de la mesure de la température d’intérêt a été optimisée en fonction de l’épaisseur de peinture et une correction sur le bilan d’énergie prend en compte ce paramètre. Ces mesures sont couplées avec une caméra rapide qui permet de visualiser les régimes d’ébullition et d’obtenir des tailles de bulles à l’aide de la mise en place d’algorithmes de traitement d’image. On représente sur un diagramme flux-température les transferts thermiques lors des différents régimes en stationnaire et en transitoire. Chaque régime d’ébullition, en conditions stationnaire ou transitoire, est alors passé en revue : la convection, le déclenchement de l’ébullition, l’ébullition nucléée, la crise d’ébullition, l’ébullition en film et le remouillage. Les régimes stationnaires sont correctement modélisés par des corrélations usuelles. La convection transitoire est caractérisée sur toute la paroi et son évolution se rapproche de la solution quasistationnaire. Il est montré que les transferts thermiques lors du passage vers l’ébullition nucléée sont dépendants de la formation d’une importante poche de vapeur qui se propage sur la paroi. Une étude locale de cette propagation est alors nécessaire. Afin de simuler des transitoires de température durant l’ébullition nucléée, un système d’asservissement de type P.I.D. permet d’imposer des créneaux ou des rampes de températures (de 5 à 500 K.s 1 ). Les résultats en ébullition nucléée sont conformes avec ceux de la littérature, tant en conditions stationnaire que transitoire. L’expérience permet d’étudier le transfert de chaleur lorsqu’un film de vapeur se forme et isole la paroi. Ce régime d’ébullition en film, pendant la chauffe ou le refroidissement de la paroi peut ainsi être stabilisée pendant plusieurs secondes avec ce système. On caractérise ainsi les conditions de déclenchement de l’ébullition en film, la dynamique de sa propagation et les transferts une fois établi. Enfin, l’implémentation des caractéristiques physiques de notre expérience dans le code SCANAIR de l’IRSN, permet de commencer à calculer et comparer nos résultats expérimentaux avec les simulations numériques. Des calculs de conduction instationnaire sont notamment considérés en imposant la température mesurée pour analyser nos résultats lors du régime de convection et après le déclenchement de l’ébullition. / The study of rapid transient boiling is an important issue in the nuclear safety. Such a phenomenon may occur in the case of a RIA (Reactivity Initiated Accident) in the core of a nuclear reactor powerplant, where a power excursion can trigger the formation of a vapour film around the fuel rod, leading to an important rise of the rod temperature and a risk of failure. Some studies in reactor conditions provided transient boiling curves but the modeling lacks of reliability. In collaboration with the IRSN (Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire), an experiment model was built at the Institute of Fluid Mechanics of Toulouse. It generates the flow of a refrigerant, HFE7000, in a semi-annular section channel, whose inner wall is made of a metal foil rapidly heated by Joule effect, simulating the heating of a fuel rod. Infrared thermography is used to measure the temperature of the metal foil, painted with a black paint to increase its emissivity, causing also an increase of the wall thermal resistance. The measurement accuracy of the interest temperature has been optimized according to the paint thickness and a correction on the energy balance takes account this parameter. These measurements are coupled with a high-speed camera that allows visualizing the boiling regimes and get bubble sizes using image processing algorithms. On a flux-temperature diagram, the heat transfers are represented both for steady and transient regimes. Each boiling regime is then reviewed : convection, onset of nucleate boiling, nucleate boiling, boiling crisis, film boiling and rewetting. Steady regimes are correctly modeled by usual correlations. Transient convection is characterized over the whole wall and its evolution is closed to the quasi-steady solution. It is shown that heat transfer during the transition to nucleate boiling are strongly related to the formation of a large vapor phase that spreads on the wall. A local study of this propagation is then necessary. In order to simulate and control transient temperature during nucleate boiling, a P.I.D. is implemented to impose a steady or ramps temperature (from 5 to 500 K.s 1 ). The results in nucleate boiling make it possible to recover the results of the literature in both steady and transient conditions. The experiment allows to study the heat transfer when a vapor film is formed and insulates the wall. The film boiling regime during heating or the cooling of the wall can thus be stabilized for several seconds with this system. The conditions for triggering of film boiling are thus characterized, as its spread dynamic and its transfers once established. Finally, the implementation of the physical characteristics of our experience in IRSN’s SCANAIR code allows us to begin to calculate and compare our experimental results with numerical simulations. Unsteady conduction calculations are applied to the measured temperature to analyze our results during the convection regime and after the onset of boiling.