Étude expérimentale des phénomènes dynamiques dans les thermosiphons diphasiques

Les thermosiphons diphasiques, ou caloducs à boucle, permettent de transférer efficacement et de manière passive l’énergie thermique d’une source chaude vers une source froide. Leur principe physique repose sur la circulation naturelle induite par la gravité sans avoir recours à des moyens dits actifs (de type pompe). Ils peuvent fonctionner en cycle fermé, selon les mécanismes de transfert thermique par évaporation et condensation, avec comme principal intérêt de bénéficier d’une valeur très élevée de la chaleur latente de changement de phase comparée à la chaleur sensible. Ils sont utilisés dans de nombreuses applications industrielles impliquant des échangeurs thermiques : refroidissement des composants électroniques, refroidissement de machines tournantes, etc.Dans le cadre des travaux sur les nouveaux réacteurs nucléaires, une attention particulière est portée aux systèmes passifs pour assurer les fonctions de sûreté, sur la base de thermosiphons diphasiques. Ils sont vus comme des options crédibles représentant une alternative aux systèmes essentiellement actifs présents sur les centrales du parc EDF actuel et futur. Les systèmes actifs requièrent un apport d’énergie externe (électrique ou mécanique) afin de les mettre en fonctionnement, comme par exemple pour les pompes hydrauliques, les vannes réglantes, etc.Les systèmes passifs se définissent quant à eux par une mise en action et un fonctionnement reposant sur un équilibre naturel entre les forces motrices disponibles au sein du réacteur lors des situations accidentelles, généralement d’intensité modérée (différence de pression, de température, de densité, etc.), et les forces résistives souhaitées les plus faibles possibles (perte de charge dans les tubes ou tuyauteries, résistance thermique à travers les échangeurs de chaleur, etc.). Ces systèmes ne nécessitent pas d’apport d’énergie externe, sauf éventuellement en phase initiale pour activer une vanne d’ouverture, par exemple.Les phénomènes physiques relatifs aux systèmes passifs sont généralement induits par des potentiels variables dans le temps et d’intensités modérées, régis par des mécanismes de transfert thermiques complexes et multiples (condensation, ébullition), pouvant conduire à des phénomènes mal maîtrisés tels que l’amorçage et les instabilités dynamiques du thermosiphon.Ce travail de thèse a consisté en la conception, la construction, l'instrumentation et l'exploitation d'un nouveau moyen d'essai, THEDI (THermosiphon DIphasique). La campagne d'essai a permis :-l'analyse des nombreux phénomènes physiques se produisant dans un système passif diphasique, que ce soit à l'échelle locale ou à l'échelle du système ;-l'évaluation des performances d'extraction de puissance du thermosiphon ;-l'étude des phénomènes transitoires : l'établissement de la circulation du fluide et les différents phénomènes d'instabilités.Ces différents aspects ont pu être étudiés pour une large gamme de conditions de fonctionnement : puissance de chauffe, pression, sous-refroidissement, restriction de section ou présence de gaz incondensables. La base de données ainsi constituée a permis la comparaison avec plusieurs modèles de prédiction de fonctionnement des thermosiphons ou des systèmes diphasiques : prédiction de débit, de fréquence ou d'amplitude d'oscillations ou cartes d'instabilité. La plupart de ces modèles sont issus de la littérature, mais la comparaison a aussi pu être faite avec un modèle unidimensionnel développé durant la thèse.