The gravity-driven flashing of metastable water in a pool heated from below - IRSN - Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

The gravity-driven flashing of metastable water in a pool heated from below

Le flashing gravitaire d'eau métastable dans un bassin chauffé par le bas

Résumé

The present research is focused on the gravity-driven flashing of metastable water, a phenomenon which may be encountered in any system being heated from below, where an uprising hot fluid experiences a significant decrease in hydrostatic pressure. For sufficiently large vertical systems, be they a deep pool or some long duct such as a geyser, the temperature of the flowing fluid may exceed its saturation value and reach a so-called superheated, metastable state. From that situation, the metastable liquid may spontaneously vaporize through the form of bubbles as a way to tend toward thermal saturation, a process referred to as flashing. Specifically in this research, the emphasis is put on the case of a water pool heated from below, motivated by the absence in the scientific literature of any known report of the phenomenon in this precise configuration. By means of an experimental device called Aquarius, specifically designed and constructed during this research, the phenomenon is first evidenced in a heated pool. Then, its main characteristics are highlighted: instead of observing a cyclic flashing as for geysers, the emergence of bubbles from the superheated liquid appears typically steady in the presented tests. In addition, those created bubbles do emerge within the liquid bulk itself, into the most superheated area of the pool: underneath the liquid free surface. The dependence of the bubble production process on the heating power, operating pressure, initial pool level and amount of dissolved gases in the pool is then investigated. At last, an experimental data reduction by means of a set of mathematical correlations is achieved and a simple thermodynamic modeling of the studied system is proposed.
Étudier l’ébullition à basse pression au sein d’un bassin permet l’atteinte de conditions de nucléation spécifiques : le flashing d’eau métastable. Si ce phénomène peut apparaître dans d’autres configurations (geysers, réservoirs dépressurisés), le dispositif expérimental original Aquarius conçu pour ce besoin permet de révéler les spécificités d’une variation des conditions de saturation induite par la pression hydrostatique couplée avec un transport de chaleur et d’espèces gazeuses dissoutes par convection naturelle. Il s’agit ainsi de reproduire à petite échelle une situation à même de se produire lors d’un accident de perte de refroidissement au sein des piscines d’entreposage de combustible nucléaire des réacteurs de production électrique. Ces travaux de thèse déterminent les conditions d’existence d’eau métastable au sein du bassin, avec des surchauffes pouvant atteindre de 1 à 5°C, dans la zone située sous la surface libre. Une nucléation y est observée et le dispositif a permis d’étudier l’influence de plusieurs paramètres sur son occurrence : la puissance de chauffe, le niveau de pression, la hauteur d’eau, la quantité de gaz dissous. Une analyse théorique des mécanismes de nucléation est proposée et identifie la flottaison libre de nuclei gazeux comme un mécanisme probable, ce qu’il conviendrait de prouver par une instrumentation adéquate. En outre, une analyse quantitative de l’ensemble des mécanismes de transport de masse, de chaleur et d’espèces au sein du bassin permet de proposer un ensemble de coefficients d’échange et de corrélations. Une modélisation par une approche de type code à zone, incluant ces propositions de modèles permet enfin de reproduire avec une incertitude modérée l’ensemble du transitoire des tests considérés.
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  • HAL Id : tel-04104513 , version 1

Citer

Jimmy Martin. The gravity-driven flashing of metastable water in a pool heated from below: An experimental study. Physics [physics]. Université catholique de Louvain (Louvain-la-Neuve, Belgique); Ecole Polytechnique de Louvain, Institute of Mechanics, Materials and Civil Engineering, Thermodynamics and fluid mechanics division, 2023. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04104513⟩
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