La vitrification des déchets nucléaires issus du retraitement des combustibles usés des centrales EDF est réalisée, en partie, dans un four dit creuset froid inductif à 1200°C. Le verre est chauffé par induction directe et agité mécaniquement afin d’assurer une bonne homogénéité thermique et chimique. Il est ensuite coulé dans un conteneur destiné à l’entreposage.

Des travaux de simulation numérique sur les aspects thermiques, mécanique des fluides et chauffage par induction des fours de vitrification sont réalisés depuis une dizaine d’années [1] avec le logiciel Ansys-Fluent.

Le caractère non-Newtonien (rhéofluidifiant) des verres nucléaires est provoqué par la présence de particules métalliques insolubles dans le verre. Ce phénomène est connu depuis les années 1990 mais ce n’est que très récemment [2] qu’une série de mesures rhéologiques précises a permis de quantifier leur caractère thixotrope, c’est-à-dire la dépendance temporelle de la viscosité apparente.

Si la modélisation mathématique du caractère thixotrope a donné lieu à de nombreuses études dans la littérature [3], l'approche microstructurelle indirecte où la structure est décrite par un paramètre scalaire obéissant à une loi cinétique semble la plus adaptée à notre description [4]. Cette approche permet en outre d’être intégrée aux simulations CFD à l’échelle procédé assez facilement.

Les travaux de stage consisteront à adapter un modèle de thixotropie aux données issues des mesures les plus récentes déjà en notre possession, puis d’intégrer ce modèle dans les simulations Ansys-Fluent dans des cas d’exemple d’écoulement de verre fondu. 

Le début effectif du stage au CEA est prévu au mois de mars 2024.

Références

[1] Barba Rossa, Thèse de doctorat, Modélisation multiphysique de l’élaboration de verre en creuset froid, 2018, https://www.theses.fr/2017GREAI050

[2] Pereira Machado, N.M., Neyret, M., Lemaître, C. et al. Thixotropic behavior of a glass melt of nuclear interest containing platinum group metal particles. Rheol Acta (2022). https://doi.org/10.1007/s00397-022-01372-x

 [3] Mujumdar, A.; Beris, A. N. & Metzner, A. B. Transient phenomena in thixotropic systems Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 2002, 102, 157 - 178  https://doi.org/10.1016/S0377-0257(01)00176-8

 [4] Derksen, J. Simulations of thixotropic liquids Applied Mathematical Modelling, 2011, 35, 1656 - 1665  https://doi.org/10.1016/j.apm.201

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