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Thèse - Etude et modélisation de la pyrolyse de combustibles solides : prise en compte de la déformation et de la porosi - H/F

EDF

Industrie Île-de-France

Détails de l'offre

 


Sujet de thèse CIFRE EDF R&D


Etude et modélisation de la pyrolyse de combustibles solides : prise en compte de la déformation et de la porosité des matériaux


Contexte industriel


Leader des énergies bas carbone dans le monde, le groupe EDF a développé un mix de production diversifié. En France, le mix décarboné est compétitif et doit être conservé à long terme en s’appuyant sur la complémentarité entre renouvelables et nucléaire. EDF investit pour obtenir l’autorisation de poursuivre l’exploitation, dans les meilleures conditions de sûreté, du parc nucléaire français au-delà de 40 ans. Dans ce cadre, la R&D d’EDF appuie au quotidien les directions métiers du groupe EDF, en particulier pour améliorer la performance dans toutes leurs activités d’aujourd’hui.


L’incendie est une agression interne potentielle dans le domaine de la sûreté nucléaire. Un incendie peut se traduire par une augmentation de la contrainte thermique et par des effets de pression, ainsi que par des agressions liées à la nature des fumées et à leur propagation. Les combustibles solides représentent une charge calorifique potentielle dans une centrale nucléaire, ce qui leur procure une place importante dans l’étude et la justification de la sûreté des centrales.


L’Autorité de Sûreté Nucléaire (ASN) considère la problématique des feux de solides comme l’un des sujets importants dans le domaine de la sûreté des installations nucléaires, dans le cadre de son dernier avis relatif à l’identification de sujets de recherche à approfondir dans différents domaines relevant de la sûreté nucléaire et de la radioprotection[1]. Elle estime notamment que « la caractérisation de la combustion de certains foyers complexes (câbles ou armoires électriques, boîtes à gants, déchets en fûts…) doit être améliorée pour mieux garantir le caractère enveloppe des agressions retenues dans la démonstration de sûreté des INB » et que « les risques de propagation des feux le long des chemins de câbles électriques peuvent mettre en cause la sectorisation dans les INB ».


Contexte scientifique et axes de travail


EDF R&D travaille sur la compréhension et à la modélisation du phénomène de pyrolyse de combustibles solides à travers des études expérimentales[2,3] et le développement d’outils de modélisation[4] ainsi que de la CFD. Les études expérimentales récentes sur la pyrolyse de combustibles solides ont montré une déformation et une modification du volume (gonflement) de ces derniers pendant le processus de décomposition qu’ils subissent sous l’effet d’un flux thermique incident[3,4,5]. Ce phénomène est caractéristique de la nature poreuse et intumescente (charbonisation expansive) des combustibles solides étudiés, notamment les matériaux à base de polychlorure de vinyle (PVC). Cette déformation, encore mal caractérisée, influence sensiblement le débit de pyrolyse.


Du point de vue de la modélisation, ce phénomène n’est pas pris en compte de façon prédictive par les modèles existants[6,7]. Une étude récente (2019) de la littérature a représenté l’effet de la déformation sur la pyrolyse, à travers la considération de la masse volumique finale du char poreux dans le modèle de pyrolyse[8]. Elle a montré l’importance de la prise en compte de la déformation sur le débit de pyrolyse. Cependant, cette approche requiert la connaissance préalable des propriétés de l’état final du matériau, ce qui affecte sensiblement la prédictibilité du modèle. Une autre étude récente montre que l’expansion intumescente présente une dimension fractale et la structure du revêtement intumescent peut être prédit[9].


Le travail de thèse proposé sera dédié à la prise en compte, d’une manière prédictive, de la déformation des matériaux poreux et intumescents dans la modélisation de la pyrolyse de combustibles solides. Le déroulement de la thèse portera tout d’abord sur une étude bibliographique de l’état de l’art des différentes études portant sur la réaction au feu des matériaux d’intérêt, avec un accent sur la modélisation du phénomène de pyrolyse. Ensuite, le modèle existant actuellement à EDF R&D servira de point de départ pour proposer une modélisation 2D, voire 3D, tenant compte du caractère poreux et déformable du matériau d’une manière prédictive. Cette étape constitue un enjeu scientifique majeur. Enfin, le modèle développé sera validé et confronté aux données disponibles dans la littérature. De plus, ce travail de validation sera complété par des données acquises par le laboratoire partenaire (UMET, Université de Lille) sur des matériaux industriels.


Le modèle développé et validé permettra d’étendre la gamme d’outils d’EDF R&D pour comprendre le comportement au feu des matériaux industriels, permettant à long terme d’enrichir et de consolider les études de sûreté.


Profil recherché


Ecole d’Ingénieur ou Master (niveau BAC +5) dans l’une ou plusieurs de ces disciplines : Mécaniques des Fluides, Modélisation, Mathématiques appliquées et méthodes numériques, Sciences du feu, Sciences thermiques, Sciences des Matériaux. Une ouverture à la discipline expérimentale est un vrai plus.


Modalités


Thèse en convention CIFRE


Rémunération selon grille EDF en vigueur


Partenaires :


- UMET (Unité Matériaux et Transformation) - Université de Lille


- MiR (Groupe Milieux Réactifs) – Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT)


Unité d’accueil


EDF - Recherche & Développement


Département Mécanique des Fluides, Energies et Environnement


6, quai Watier - 78401 CHATOU Cedex (RER Ligne A - Station Rueil-Malmaison)


 


REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES


[1] Avis n° 2018-AV-0306 de l’Autorité de Sûreté Nucléaire du 4 mai 2018 relatif à l’identification de sujets de recherche à approfondir dans différents domaines relevant de la sûreté nucléaire et de la radioprotection.


[2] F. E. Ngohang, « Combination of mass loss cone, Fourier transform infrared spectroscopy and electrical low pressure impactor to extend fire behaviour characterization of materials », Thèse de doctorat EDF R&D, 2014.


[3] S. Chatenet, « Réaction au feu et caractérisation des fumées d'un incendie par la combinaison d’un calorimètre "mass loss cone", d’un spectromètre FTIR et d’un granulométre ELPI », Thèse de doctorat EDF R&D, 2019.


[4] L. Murer, S. Chatenet, G. Fontaine, S. Bourbigot, O. Authier, « Influence of model assumptions on charring polymer decomposition in the cone calorimeter», Journal of Fire Science, 36(3) (2018) 181–201.


[5] R. Meinier, «Etude expérimentale et analytique de la propagation du feu sur un chemin de câbles électriques », Thèse de doctorat IRSN-EDF R&D, 2017-2020.


[6] C. Lautenberger, A. C. Fernandez Pello, "Generalized Pyrolysis Model for Combustible Solids" Fire Safety Journal, 44 (2019) 819-839.


[7] A. Bhargava , P. Van Hees, B. Husted, A. Rodolfo Junior, C. Neumeister, « Performance analysis of a heat transfer and sub-grid chemical reaction distributed activation energy model for fire simulations », Journal of Fire Science 37(1) (2018) 18-46.


[8] J. D. Swann et al, « Characterization of pyrolysis and combustion of rigid poly(vinyl chloride) using two-dimensional modeling », International Journal of Heat and Mass Transfer 132 (2019) 347–361.


[9] G. Okyay, A.D. Naik, F. Samyn, M. Jimenez, S. Bourbigot," Fractal conceptualization of intumescent fire barriers, toward simulations of virtual morphologies", Sci. Rep. 9(1) (2019).



Profil recherché


Ecole d’Ingénieur ou Master (niveau BAC +5) dans l’une ou plusieurs de ces disciplines : Mécaniques des Fluides, Modélisation, Mathématiques appliquées et méthodes numériques, Sciences du feu, Sciences thermiques, Sciences des Matériaux. Une ouverture à la discipline expérimentale est un vrai plus.

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