Dissertations / Theses on the topic 'Gases (Rare)'

The present work has been organized in two main parts: in the first one, the focus will be on the scientific and theoretical aspects of the evaporation process in presence of an inert gas flow while in the second all the technical aspects and more practical tests related to the real implementation of the micro-gravity experiment CIMEX-1 will be detailed. In any cases, the discussion will always start from the phenomenology observed considering that ” Nature is far more reach of any speculations.”

Part I: Evaporation in presence of inert gas

In chapter 1, a detailed presentation of the experimental setups for the on-ground tests is given together with the presentation of the qualitative and quantitative results obtained. Actually, the main parameters that regulate such kind of experiments are the mass flow rate of inert gas, the total pressure of the cell and the geometrical shape and dimensions of the evaporating regions.

Consequently, the experiments aimed at covering the maximal possible combination of these three parameters with special attention to the variation of the inert gas flow and of the thickness of the evaporating liquid layer. More precisely, the liquid layer thickness was in the range 1.2 to 3.8 mm while the inert gas flow was set in the range 50 to 2500 ml/min. The pressure has been partially neglected as control parameter because its control was discovered not to be very reliable.

The visualization system used in all the experiments consisted in a opportunely calibrated infrared camera. It allowed for having a quantitative analysis of the temperature distribution at the interface of the evaporating liquid.

The infrared images also helped to follow the thermal history of the interface. In many cases, it has been possible to clearly observe the evolution of instability patterns at the interface that represent an original contribution to the understanding of such a kind of phenomena.

The physical and mathematical modeling of the observed phenomenology will be the subject of the chapter 2. One of the peculiar issue of the problem under consideration is that the thermal gradient normal to the interface is not directly imposed like in the usual Marangoni-Bénard experience, but is a result of the cooling of the interface due to the evaporation.

Moreover,the interface is subject to the shear stress of the inert gas flow and to the one due to the thermo-capillarity. Finally, the gas phase is to be considered as a mixture; this oblige to solve a diffusion problem in the gas phase. A physical model that takes into account the different aspects mentioned above is presented together with the governing equations and the appropriate boundary conditions.

Numerical issues involved in solving the model are also analyzed. Numerical results obtained are finally discussed and compared when possible with experimental results.

Part II: Preparation of the CIMEX-1 experiment on-board the International Space Station.

In chapter 3, we will describe the main platforms used to perform low-gravity experiments. They will be classified according to the low-gravity level and to the low-gravity interval duration that could be ensured for experiments. According to these criteria, the list of the low-gravity platforms will be as follows: Drop Towers with ≈ 4 sec. of micro-gravity, Parabolic Flights that can assure not more than ≈ 25 sec. Sounding Rockets with a low-gravity time of the order of several minutes depending on the rockets, Foton Capsules that assure for many days of high quality - i.e. without perturbations - low-gravity level and ,last but not least, the International Space Station where the low-gravity duration could be even of several weeks which is a sufficient time duration for the most part of the experiments.

The chapter 4 will be entirely devoted to the ITEL experiment that is the precursor and the core of the CIMEX-1. After a brief overview of the experiment that has been performed twice on-board sounding rockets of the MASER class, the experimental setups used both on-ground and in micro-gravity will be detailed.

The focus will be on the experimental results obtained on-ground during the preparatory tests and during the two sounding rocket flights with special attention to the first one. The analysis will be supported by the presentation of many results obtained in numerical simulations.

The two parabolic flight campaigns performed to test one of the key sub-systems of the CIMEX-1 setup are the subject of the chapter 5. The separating-condensing unit is mandatory for performing the experiment on-board the International Space Station because the limitations on the crew intervention oblige to have a closed loop experiment.

The goal of the two parabolic flights will be detailed together with the setup and the experimental scenario. The main results will be also shown and some considerations on the efficiency of the system will be presented.

It is worthy to stress that the results obtained during these parabolic flights have been determinant at the European Space Agency level to fly the CIMEX-1 experiment on-board the International Space Station.

Finally, in the section conclusions and perspectives the main results obtained will be summarized together with the new scenarios opened by the present work and some guidelines for further development in the experimental, theoretical and technical analysis.
Doctorat en sciences appliquées
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at elevated burnups, where large amounts of gas are produced and can

potentially be released. The importance of fission gas release was the motivation

for large efforts, both experimentally and theoretically, in order to increase our

understanding of the different steps of the process, and to continuously improve

our models.

Extensions to higher burnups, together with the growing interest in novel types

of fuels such as inert matrix fuels envisaged for the transmutation of minor actinides,

make that one is still looking for a permanently better modelling, based

on a physical understanding and description of all stages of the release mechanism.

Computer simulations are nowadays envisaged in order to provide a better

description and understanding of atomic-scale processes such as diffusion, but even

in order to gain insight on specific processes that are inaccessible by experimental

means, such as the fuel behaviour during thermal spikes.

In the present work simulation techniques based on empirical potentials have

been used, focusing in a first stage on pure uranium dioxide. The behaviour of

point defects was at the core of this part, but also the estimation of elastic and

melting properties.

Then, in a second stage, the study has been extended to the behaviour of helium

and xenon. For helium, the diffusion in different domains of stoichiometry

was considered. The simulations enabled to determine the diffusion coefficient and

the migration mechanism, using both molecular dynamics and static calculation

techniques. Xenon behaviour has been investigated with the additional intention

to model the behaviour of small intragranular bubbles, particularly their interaction

with thermal spikes accompanying the recoil of fission fragments. For that

purpose, a simplified description of these events has been proposed, which opens

perspectives for further work.

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Les performances du combustible nucléaire sont fortement affectées par le comportement

des gaz de fission, et ce particulièrement lorsqu’un taux d’épuisement

élevé est atteint, puisque d’importantes quantités de gaz sont alors produites

et peuvent potentiellement être relâchées. Les enjeux, entre autre économiques,

liés au relâchement de gaz de fission ont donné lieu à d’importants efforts, tant

sur le plan expérimental que théorique, afin d’accroître notre compréhension des

différentes étapes du processus, et d’améliorer sans cesse les mod`eles. Les extensions

à des taux d’épuisements encore plus élevés ainsi que l’intérêt croissant pour

de nouveaux types de combustible tels que les matrices inertes, envisages en vue

de la transmutation des actinides mineures, font qu’à l’heure actuelle, le besoin

permanent d’une meilleure modélisation, basée sur une compréhension et une description

physique des différentes étapes du processus de relâchement de gaz de

fission, est toujours de mise.

Les simulations par ordinateur ont ainsi été considérée comme un nouvel angle

de recherche sur les processus élémentaires se produisant à l’échelle atomique, à la

fois afin d’obtenir une meilleure compréhension de processus tels que la diffusion

atomique ;mais aussi afin d’avoir accès à certains processus qui ne sont pas observables

par des voies expérimentales, tels que la le comportement du combustible

lors de pointes thermiques.

Dans ce travail, deux techniques, basées sur l’utilisation de potentiels interatomiques

empiriques, ont permis d’étudier le dioxyde d’uranium, dans un premier

temps en l’absence d’impuretés. Cette partie était principalement centrée sur le

comportement des défauts ponctuels, mais a aussi concerné différentes propriétés

élastiques, ainsi que le processus de fusion du composé.

Ensuite l’étude a été étendue aux comportements de l’hélium de du xénon. Pour

ce qui a trait à l’hélium, la diffusion dans différents domaines de stoechiométrie

a été considérée. Les simulations ont permis de déterminer le coefficient de diffusion

ainsi que le mécanisme de migration lui-même. Quant au xénon, outre les

propriétés de diffusion, l’intention fut de se diriger vers la modélisation des petites

bulles intragranulaires, et plus précisément vers leur interaction avec les pointes

thermiques, créées lors du recul des fragments de fission. Une description simplifiée de ce processus a été proposée, qui offre de nouvelles perspectives dans ce

domaine.

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L’étude décrite dans la première partie propose une contribution originale à la modélisation de l’évaporation des films minces, y compris au voisinage des lignes de contact. De manière générale, nous cherchons à mettre en évidence l’influence de phénomènes qui se déroulent aux petites échelles sur le transfert thermique d’un film mince déposé sur une paroi plane et chauffée. Dans le cadre de l’hypothèse de lubrification, deux modèles sont dès lors développés. Le premier modèle décrit l’évaporation d’un film liquide mince dans sa vapeur pure tandis que le second modèle porte sur l’évaporation d’un film liquide mince dans un gaz inerte. Les diverses recherches menées sont principalement orientées vers la quantification, d’une part, des angles de contact apparents générés par l’évaporation, malgré le caractère parfaitement mouillant du couple liquide-solide utilisé et, d’autre part, des flux de chaleur et de matière interfaciaux. Une particularité du premier modèle est qu’il généralise divers modèles existants [15,25,86,117] en regroupant un ensemble de phénomènes spécifiques et complexes tels que le saut de température à l’interface liquide-vapeur, la résistance thermique de la vapeur et celle du solide ou la variation locale de la température de saturation à l’interface liquide-vapeur suite à la courbure interfaciale et aux forces de van der Waals. En plus de ces effets, d’autres mécanismes plus classiques sont inclus dans le modèle :la tension superficielle, la thermocapillarité, la pression de disjonction, l’évaporation et le recul de vapeur. Des analyses de stabilité linéaires et des études paramétriques ont été réalisées afin de quantifier l’influence de ces phénomènes sur la stabilité d’un film liquide mince, sur son évaporation et sur le transfert de chaleur associé. Au travers des chapitres 3 et 4, nous mettons notamment en évidence

• comment les forces de van der Waals compensent l’évaporation du film liquide mince de façon à créer un film stationnaire stable,

• pourquoi le recul de la vapeur et la thermocapillarité sont deux phénomènes qui peuvent être négligés dans les conditions étudiées dans ce travail,

• des lois analytiques qui décrivent certaines variables du problème, plus particulièrement l’angle de contact et le maximum du flux de chaleur, en fonction de la surchauffe de la paroi solide.

Faisant suite aux travaux proposés par Haut et Colinet [59], nous avons ensuite développé un second modèle afin de caractériser l’évaporation dans une faible quantité de gaz inerte d’un film liquide mince déposé sur une paroi plate et chauffée. Tout comme dans le cadre de l’étude précédente, notre analyse s’articule autour d’une étude de stabilité linéaire ainsi que d’études paramétriques réalisées sur des nombres caractéristiques du problème. Alors que les conclusions sur la stabilité du film sont indépendantes de la quantité de gaz inerte contenue dans la phase vapeur, il n’en est pas de même pour les transferts de matière et de chaleur interfaciaux comme montré au chapitre 5.

Dans la seconde partie du travail, nous utilisons les conclusions auxquelles nous sommes arrivés dans la première partie dans le cadre d’une application industrielle. En collaboration avec le Centre d’Excellence en Recherche Aéronautique (CENAERO) et la société Euro Heat Pipes (EHP), une stratégie a été élaborée afin de simuler les transferts thermiques radiaux dans une rainure d’un caloduc au niveau de l’évaporateur. Les résultats numériques, obtenus sur base d’un modèle multi-échelle développé à l’ULB et implémenté numériquement lors d’un stage chez CENAERO, montrent que ces transferts sont influencés par la valeur de l’angle de contact. Celui-ci dépendant des phénomènes microscopiques, il s’avère par conséquent nécessaire de les inclure dans le modèle thermique. En effet, si nous ne considérons que les aspects macroscopiques du problème, qui se résument à la conduction dans le solide et dans le liquide, le coefficient d’échange global au niveau de la rainure est surestimé.

Doctorat en Sciences de l'ingénieur
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