Ce travail de thèse s’est inscrit dans le contexte d’utilisation d’un cycle de conversion de l’énergie de type Brayton au CO2 supercritique, pour les réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium (RNRNa). Dans le cas d’une fuite accidentelle dans l’échangeur de chaleur Na − CO2 d’un RNRNa, le CO2, avec une pression opérative d’environ 200 bars, serait injecté dans le sodium liquide qui se trouve à basse pression,provoquant un jet sous-détendu et réactif deCO2 dans le sodium. L’objectif principal de ce travail de thèse était le développement d’un modèle numérique du jet réactif diphasique de CO2 dans du sodium.Un modèle numérique d’un jet sous-détendu non-réactif de gaz dans du liquide, utilisant une approche3D non-stationnaire de type multi-fluide CFD, a été développé. Les résultats numériques ont été validés à travers la comparaison avec résultats expérimentaux obtenus avec mesures optiques. Un modèle décrivant la réaction chimique entre le sodium et le CO2 a été ensuite développé et intégré dans le modèle 3D multi-fluide. Le modèle résultant permet de calculer les profils de température obtenus au sein du jet et sur les parois des tubes de l’échangeur de chaleur. / This PhD work was motivated by the investigations in the frame of supercritical CO2 Brayton cycles as possible energy conversion cycles for the Sodium-cooled Fast nuclear Reactors (SFRs). Following an accidental leakage inside the sodium-CO2 heat exchanger of a SFR, the CO2, having an operating pressure of about 200 bars, would be injected into the low-operatingpressure liquid sodium, creating an underexpanded reactive CO2-into-sodium jet. The goal of this PhD work is the development of a numerical model of the two-phase reactive CO2-into-sodium jet.A numerical model of an underexpanded non-reactive gas-into-liquid jet was developed, adopting a 3D unsteady multi-fluid CFD approach. The numerical results have been validated through the experimental results obtained with a facility employing optical probe technique. A numerical model for the chemical reaction between sodium and CO2 was then developed and integrated into the 3D two-fluid model. The resulting model allows to determine the temperature profiles inside the reactive jet and on the heat exchanger tubes.

Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations are presented within this study for super-cooled liquid oxygen atomisation and gasification in a subcritical chamber operating at 1MPa. Relatively low cost simulation techniques have been used and their accuracy evaluated. Gasification efficiency expected from theory is compared with simulation results and physical limitation in addition to modelling limitations are discussed. Impinging jets have been used within the simulations with the intent of atomising the incoming liquid oxygen, followed by injection of hot water vapour perpendicularly, to increase turbulent mixing, residence time and in turn expected gasification efficiency. A computational fluid dynamics heating analysis is also included in order to highlight constraints on the chamber geometry imposed by transient rapid oxidation material limits. 316 stainless steel and 3D printed Inconel 718 were investigated experimentally to identify their transient macroscopic rapid oxidation limits. This information supplements existing published literature for operation at high temperatures for a transient period of time in oxygen rich environments. ANSYS Fluent 2020R1, and its newly included Volume of Fluid to Discrete Particle (VOF-DPM) Model, is used for CFD simulation of LOx atomisation and vaporisation. The CFD simulation technique is discussed in detail in order to allow the reader to gain knowledge into areas where computational power can be saved while still allowing assessment of trends for conducting relatively quick feasibility reviews e.g. for different chamber configurations. The CFD simulation results are compared with published experimental data and its accuracy when extended to this application is discussed. Results indicate that gasification of LOx within a compact chamber may be feasible if sufficient turbulence, resulting in longer residence times is present providing sufficient time for heat and mass transfer from the continuous phase. Simulations indicate that due to the mixing and gasification process the LOx particles within the chamber that have not entered the gaseous phase are smaller than that from pure atomisation and therefore more susceptible to gasification if injected into the main motor combustion chamber. Results hint at the potential benefit of swirl injection of hot gases to increase residence time and in turn the gasification efficiency, therefore, this is recommended for the topic of future research. / Computational Fluid Dynamics (CFD) simuleringar presenteras i denna studie för superkyld flytande syreförstoftning och förgasning i en underkritisk kammare som arbetar vid SI 1 MPa. Relativt billiga simuleringstekniker har använts och deras noggrannhet utvärderats. Förgasningseffektivitet som förväntas från teorin jämförs med simuleringsresultat och fysisk begränsning utöver detta diskuteras modelleringsberäkningarna. Stötstrålar har använts inom simuleringarna med avsikt att finfördela det inkommande flytande syret, följt av injektion av varm vattenånga vinkelrätt, för att öka turbulent blandning, uppehållstid och i sin tur förväntad förgasningseffektivitet. En beräkningsenhetsanalys för uppvärmningsdynamik ingår också för att belysa begränsningar för kammargeometri som införs genom övergående gränser för snabb oxidation. 316 rostfritt stål och 3D-printad Inconel 718 undersöktes experimentellt för att identifiera deras övergående makroskopiska snabba oxidationsgränser. Denna information kompletterar befintlig publicerad litteratur för drift vid höga temperaturer under en kort tid i syrgasrika miljöer. ANSYS Fluent 2020R1, och dess nyligen inkluderade volym av vätska till diskret partikel (VOF-DPM) -modell, används för CFD-simulering av LOxatomisering och förångning. CFD-simuleringstekniken diskuteras i detalj för att göra det möjligt för läsaren att få kunskap om områden där beräkningskraft kan sparas medan man fortfarande tillåter bedömning av trender för att göra relativt snabba genomförbarhetsgranskningar, t.ex. för olika kammarkonfigurationer. CFD-simuleringsresultaten jämförs med publicerade experimentella data och dess noggrannhet när den utvidgas till denna applikation diskuteras. Resultaten indikerar att förgasning av LOx i en kompakt kammare kan vara möjlig vid tillräcklig turbulens, vilket resulterar i längre uppehållstider är närvarande som ger tillräcklig tid för värme och massöverföring från den kontinuerliga fasen. Simuleringar indikerar att på grund av blandnings- och förgasningsprocessen är LOx-partiklarna i kammaren som inte har gått in i gasfasen mindre än den från ren förgasning och därför mer mottagliga för förgasning om de injiceras i huvudmotorns förbränningskammare. Resultat antyder den potentiella fördelen med virvelinjektion av heta gaser för att öka uppehållstiden och i sin tur förgasningseffektivitet, därför rekommenderas detta för ämnet för framtida forskning.

Single-phase CFD calculations are already widely applied in nuclear industry for the thermal-hydraulic design optimization of fuel assemblies (FA). In contrast, two-phase CFD-applications are still in the state of development. The work presented in this thesis shows contributions towards the detailed two-phase modeling of boiling flows under swirl conditions in sub-channel geometries of pressurized water reactors (PWR) FAs, including a realistic description of the critical heat flux (CHF)-phenomena and identification of two-phase indicators characterizing CHF-phenomena. The numerical simulations were conducted with a 3-D CFD code (STAR CD) for various types of swirl generating components in FA. New insights regarding local void distribution in sub-channels under swirl conditions were obtained, which are relevant for CHF (“bubble pockets”). Furthermore, an enhanced wall partitioning model provides a more realistic description of the steep increase of the rod temperature due to CHF. Presented validation studies showed good agreement with the available experiments under PWR conditions for the radial void distributions at non-CHF conditions as well as for the CHF prediction. The results performed in this thesis show the incentives and chances of two-phase CFD applications for the development of thermal-hydraulically optimized PWR spacer grids with regard to heat transfer and improvement to the CHF behaviour. / Einphasige CFD Analysen stellen für typische thermohydraulische Fragestellungen aus dem Kernkraftwerksbereich bereits jetzt ein wichtiges Werkzeug für die Brennelement (BE)¬Auslegung dar. Die zweiphasige CFD-Modellierung befindet sich dagegen in der Entwicklungsphase. Die in dieser Dissertation präsentierten Arbeiten zeigen Fortschritte für die detaillierte zweiphasige Modellierung drallbehafteter Strömungen im Unterkanal eines BEs des Druckwasserreaktors (DWR) einschließlich der realistischen Beschreibung des kritischen Wärmestroms (CHF) sowie die Bestimmung zweiphasiger Indikatoren, welche das Auftreten von CHF-Phänomen beschreiben. Verschiedene drallerzeugende Komponenten im BE wurden mit dem 3-D CFD-Code STAR-CD modelliert. Es wurden neue Erkenntnisse zur lokalen Blasenverteilung in Unterkanälen unter Drallbedingungen gewonnen, die für CHF relevant sind (“bubble pockets”). Durch eine Modifikation des Wärmeübergangsmodells (heat partitioning model) wird der starke Anstieg der Stabtemperatur infolge CHF realistischer beschrieben. Die durchgeführten Validierungen zeigen eine gute Übereinstimmung mit verfügbaren Experimenten unter DWR-Bedingungen für die radialen Blasenverteilungen und für die Bestimmung von CHF. Die vorliegenden Ergebnisse dieser Dissertation verdeutlichen den Nutzen und die Möglichkeiten von zweiphasigen CFD-Anwendungen für die Entwicklung und die thermohydraulische Optimierung von DWR-Abstandshaltern bezüglich des Wärmeübergangs und der Verbesserung des CHF-Verhaltens. / Модели однофазовой среды в вычислительной гидродинамике (англ. CFD) являются уже сейчас важным инструментом для решения типичных термогидравлических задач в ядерной энергетике, например, при конструировании тепловыделяющих сборок (ТВС). Двухфазовое моделирование, в сравнении с однофазовым, находится на сегодняшний момент в стадии развития. Данная диссертация связана с совершенствованием двухфазовой модели в направлении улучшения детализации вихревого течения внутри ячейки ТВС в условиях работы двухконтурного ядерного реактора (тип PWR). Также в работе показана возможность более реалистичного описания феномена кризиса теплоотдачи и определения двухфазовых индикаторов, характеризующих критический тепловой поток (англ. CHF). Комплекс расчетов выполнен для различных интенсификаторов теплоотдачи, размещенных на дистанционирующих решетках TBC. Расчеты производились с помощью программного обеспечения STAR-CD, позволяющего моделировать трехмерные гидродинамические системы. Полученные новые данные о локальном распределении пузырьков в ячейках с вихревым течением дали важную информацию для идентификации критического теплового потока. Усовершенствование модели теплоотдачи на поверхности тепловыделяющего элемента (ТВЭЛ) позволило более реалистично описать резкое повышение температуры на поверхности ТВЭЛа при достижении критических условий. Полученные результаты численного моделирования для радиальных распределений пузырьков при нормальных условиях работы PWR и также для определения критического теплового потока показали хорошее совпадение с известными экспериментальными данными. Представленные в диссертации результаты показывают возможности применения двухфазовых CFD-расчётов для разработки и термогидравлической оптимизации дистанционирующих решеток с целью улучшения теплообмена и характеристик критического теплового потока в двухконтурном ядерном реакторе типа PWR.

Single-phase CFD calculations are already widely applied in nuclear industry for the thermal-hydraulic design optimization of fuel assemblies (FA). In contrast, two-phase CFD-applications are still in the state of development. The work presented in this thesis shows contributions towards the detailed two-phase modeling of boiling flows under swirl conditions in sub-channel geometries of pressurized water reactors (PWR) FAs, including a realistic description of the critical heat flux (CHF)-phenomena and identification of two-phase indicators characterizing CHF-phenomena. The numerical simulations were conducted with a 3-D CFD code (STAR CD) for various types of swirl generating components in FA. New insights regarding local void distribution in sub-channels under swirl conditions were obtained, which are relevant for CHF (“bubble pockets”). Furthermore, an enhanced wall partitioning model provides a more realistic description of the steep increase of the rod temperature due to CHF. Presented validation studies showed good agreement with the available experiments under PWR conditions for the radial void distributions at non-CHF conditions as well as for the CHF prediction. The results performed in this thesis show the incentives and chances of two-phase CFD applications for the development of thermal-hydraulically optimized PWR spacer grids with regard to heat transfer and improvement to the CHF behaviour. / Einphasige CFD Analysen stellen für typische thermohydraulische Fragestellungen aus dem Kernkraftwerksbereich bereits jetzt ein wichtiges Werkzeug für die Brennelement (BE)¬Auslegung dar. Die zweiphasige CFD-Modellierung befindet sich dagegen in der Entwicklungsphase. Die in dieser Dissertation präsentierten Arbeiten zeigen Fortschritte für die detaillierte zweiphasige Modellierung drallbehafteter Strömungen im Unterkanal eines BEs des Druckwasserreaktors (DWR) einschließlich der realistischen Beschreibung des kritischen Wärmestroms (CHF) sowie die Bestimmung zweiphasiger Indikatoren, welche das Auftreten von CHF-Phänomen beschreiben. Verschiedene drallerzeugende Komponenten im BE wurden mit dem 3-D CFD-Code STAR-CD modelliert. Es wurden neue Erkenntnisse zur lokalen Blasenverteilung in Unterkanälen unter Drallbedingungen gewonnen, die für CHF relevant sind (“bubble pockets”). Durch eine Modifikation des Wärmeübergangsmodells (heat partitioning model) wird der starke Anstieg der Stabtemperatur infolge CHF realistischer beschrieben. Die durchgeführten Validierungen zeigen eine gute Übereinstimmung mit verfügbaren Experimenten unter DWR-Bedingungen für die radialen Blasenverteilungen und für die Bestimmung von CHF. Die vorliegenden Ergebnisse dieser Dissertation verdeutlichen den Nutzen und die Möglichkeiten von zweiphasigen CFD-Anwendungen für die Entwicklung und die thermohydraulische Optimierung von DWR-Abstandshaltern bezüglich des Wärmeübergangs und der Verbesserung des CHF-Verhaltens. / Модели однофазовой среды в вычислительной гидродинамике (англ. CFD) являются уже сейчас важным инструментом для решения типичных термогидравлических задач в ядерной энергетике, например, при конструировании тепловыделяющих сборок (ТВС). Двухфазовое моделирование, в сравнении с однофазовым, находится на сегодняшний момент в стадии развития. Данная диссертация связана с совершенствованием двухфазовой модели в направлении улучшения детализации вихревого течения внутри ячейки ТВС в условиях работы двухконтурного ядерного реактора (тип PWR). Также в работе показана возможность более реалистичного описания феномена кризиса теплоотдачи и определения двухфазовых индикаторов, характеризующих критический тепловой поток (англ. CHF). Комплекс расчетов выполнен для различных интенсификаторов теплоотдачи, размещенных на дистанционирующих решетках TBC. Расчеты производились с помощью программного обеспечения STAR-CD, позволяющего моделировать трехмерные гидродинамические системы. Полученные новые данные о локальном распределении пузырьков в ячейках с вихревым течением дали важную информацию для идентификации критического теплового потока. Усовершенствование модели теплоотдачи на поверхности тепловыделяющего элемента (ТВЭЛ) позволило более реалистично описать резкое повышение температуры на поверхности ТВЭЛа при достижении критических условий. Полученные результаты численного моделирования для радиальных распределений пузырьков при нормальных условиях работы PWR и также для определения критического теплового потока показали хорошее совпадение с известными экспериментальными данными. Представленные в диссертации результаты показывают возможности применения двухфазовых CFD-расчётов для разработки и термогидравлической оптимизации дистанционирующих решеток с целью улучшения теплообмена и характеристик критического теплового потока в двухконтурном ядерном реакторе типа PWR.