Modélisation des phénomènes thermiques et multiphasiques dans le procédé ELIPSE

Le procédé ELIPSE est un dispositif conçu au CEA de Marcoule, qui permet de minéraliser des déchets (liquides organiques) radioactifs. L'innovation repose sur l'utilisation d'une torche plasma immergée sous l'eau. Un pilote du procédé est développé à Marcoule. Cette thèse, basée sur de la simulation numérique CFD, se fera en partenariat avec le LGC de Toulouse. Elle s'inscrit dans la continuité de travaux ayant permis de mettre en place un premier modèle thermohydraulique du procédé. Celui-ci est le siège de phénomènes multiphysiques (transfert thermique dans le jet gazeux à très haute température, changement de phase, transfert de matière entre le gaz et le liquide, ...), ce qui offre une multitude de problématiques scientifiques. En terme de simulation, les travaux de recherche précédents ont conduit à la modélisation de plusieurs parties : i) le jet diphasique gaz-liquide turbulent au sein du réacteur, ii) les transferts thermiques en tenant compte du changement de phase (vapeur-liquide) et iii) la magnéto-hydrodynamique induite par l'arc électrique au sein de la torche plasma. Les différents modules de simulation sont développés dans le code open-source OpenFoam. La poursuite de ces travaux vise à approfondir l'étude de la tuyère plasma, un élément clé situé entre la torche et le réacteur, composée de trois étages successifs : l'injection du liquide organique, l'injection de l'eau et le refroidissement. L'objectif est de caractériser et de modéliser les phénomènes thermiques, hydrodynamiques et multiphasiques qui apparaissent lors de l'éjection d'un flux gazeux très chaud, d'environ 4000 K, issu de la torche plasma et entrant en interaction avec les fluides injectés dans la tuyère. Dans le contrat de thèse proposé, nous envisageons étudier : - l'écoulement gazeux et turbulent dans la tuyère, en prenant en compte la thermique et les réactions chimiques en chaîne afin de prédire le champ de température et comprendre comment la géométrie (temps de séjour notamment) influe sur la composition finale du gaz issu de la combustion, - la fragmentation du liquide organique visqueux (fluide à minéraliser) en gouttelettes, lors de son injection en amont de la tuyère, et - la vaporisation de ces gouttes dans le gaz environnant, l'objectif étant de trouver des lois de vitesse d'évaporation en fonction des conditions opératoires. Cette modélisation sera étayée par des mesures expérimentales (réalisées en parallèle par l'équipe du CEA Marcoule), nécessaires à la validation des modèles (température, pression, vitesse au sein de la tuyère). L'objectif final de la thèse est de proposer une représentation globale et cohérente du procédé ELIPSE, capable de décrire avec précision l'ensemble des phénomènes mis en jeu. Une telle approche constitue une étape essentielle pour optimiser le procédé et envisager son passage à l'échelle industrielle. École doctorale : MEGEP - Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés Direction : Micheline ABBAS Financement : Financement d'un établissement public Français