Comprendre l'ébullition pour aider l'industrie nucléaire et les missions spatiales

Jul 21, 2023

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Pour lancer des missions prolongées dans l'espace, la National Aeronautics and Space Administration (NASA) emprunte une page à l'industrie du génie nucléaire : elle essaie de comprendre comment fonctionne l'ébullition.

La planification de missions à long terme amène la NASA à rechercher des moyens d'emballer le moins de carburant cryogénique possible pour un décollage efficace. Une solution potentielle consiste à ravitailler la fusée dans l'espace en utilisant des dépôts de carburant placés en orbite terrestre basse. De cette façon, le vaisseau spatial peut transporter la charge de carburant la plus légère - suffisamment pour atteindre l'orbite terrestre basse pour faire le plein si nécessaire et terminer la mission. Mais le ravitaillement dans l'espace nécessite une connaissance approfondie des carburants cryogéniques.

"Nous [avons besoin de comprendre] comment l'ébullition des cryogènes se comporte dans des conditions de microgravité [rencontrées dans l'espace]", explique Florian Chavagnat, doctorant en sixième année au Département des sciences et génie nucléaires (NSE). Après tout, comprendre comment les cryogènes bouillent dans l'espace est essentiel à la stratégie de gestion du carburant de la NASA. La grande majorité des études sur l'ébullition évaluent les fluides qui bouillent à des températures élevées, ce qui ne s'applique pas nécessairement aux cryogènes. Sous la direction de Matteo Bucci et Emilio Baglietto, Chavagnat travaille sur des recherches parrainées par la NASA sur les cryogènes et la manière dont le manque de flottabilité dans l'espace affecte l'ébullition.

Une enfance passée à bricoler

Une profonde compréhension de l'ingénierie et des phénomènes physiques est exactement ce que Chavagnat a développé en grandissant à Boussy-Saint-Antoine, en banlieue parisienne, avec des parents qui travaillaient pour la SNCF, la société nationale des chemins de fer. Chavagnat se souvient avoir discuté du fonctionnement des trains et des moteurs avec son père ingénieur et construit une variété de modèles en bois de balsa. L'un de ses projets mémorables était un voilier propulsé par un moteur à partir d'une brosse à dents électrique.

À l'adolescence, Chavagnat reçoit en cadeau un tour à métaux. Son bricolage est devenu une obsession; un moteur à air comprimé était un projet favori. Bientôt la petite remise de ses parents, destinée au jardinage, est devenue une usine, se souvient Chavagnat en riant.

Un amour de toujours pour les mathématiques et la physique l'a propulsé à l'Institut national des sciences appliquées de Rouen, en Normandie, où Chavagnat a étudié l'énergétique et la propulsion dans le cadre d'un programme d'ingénierie de cinq ans. Au cours de sa dernière année, Chavagnat a étudié l'ingénierie atomique à l'INSTN Paris-Saclay, qui fait partie du prestigieux Commissariat aux énergies alternatives et à l'énergie atomique (CEA).

La dernière année d'études au CEA nécessite un stage de six mois, qui fixe traditionnellement le cap d'un emploi. Chavagnat a décidé de tenter sa chance et de postuler pour un stage au MIT NSE à la place, sachant que son futur parcours pourrait être incertain. "Je n'ai pas pris beaucoup de risques dans ma vie, mais celui-ci était un gros risque", a déclaré Chavagnat. Pari réussi : Chavagnat remporte le stage avec Charles Forsberg, qui ouvre la voie à son admission au doctorat. "J'ai choisi le MIT parce que cela a toujours été l'école de mes rêves", déclare Chavagnat. Il a également apprécié l'idée de se mettre au défi d'améliorer ses compétences en anglais.

Un amour de la physique et du transfert de chaleur

Chavagnat aime la physique — "si je peux étudier n'importe quel problème de physique, je serais heureux" dit-il — ce qui l'a amené à travailler sur le transfert de chaleur, plus précisément sur le transfert de chaleur bouillante. Ses premières recherches doctorales ont porté sur l'ébullition transitoire dans les réacteurs nucléaires, dont une partie a été publiée dans l'International Journal of Heat and Mass Transfer.

Les recherches de Chavagnat ciblent un type spécifique de réacteur nucléaire appelé réacteur d'essai de matériaux (MTR). Les scientifiques nucléaires utilisent les MTR pour comprendre comment les matériaux utilisés dans les opérations de la centrale pourraient se comporter dans le cadre d'une utilisation à long terme. Le combustible nucléaire dense, fonctionnant à haute puissance, simule les effets à long terme en utilisant un flux de neutrons très intense.

Pour éviter les pannes, les opérateurs limitent la température du réacteur en faisant circuler de l'eau très froide à grande vitesse. Lorsque la puissance calorifique du réacteur augmente de manière incontrôlable, l'eau du réseau commence à bouillir. L'ébullition permet d'éviter la fusion en modifiant la modération des neutrons et en extrayant la chaleur du combustible. "[Malheureusement], cela ne fonctionne que jusqu'à ce que vous atteigniez un certain flux de chaleur au niveau de la gaine de combustible, après quoi l'efficacité chute complètement", explique Chavagnat. Une fois que le flux de chaleur critique est atteint, la vapeur d'eau commence à recouvrir et à isoler les éléments combustibles, entraînant une augmentation rapide des températures de gaine et une éventuelle combustion.

La clé est de comprendre le comportement du flux de chaleur d'ébullition maximal dans des conditions MTR de routine - eau froide, vitesse d'écoulement élevée et espacement étroit entre les éléments combustibles.

Etude de l'ébullition cryogénique

L'ébullition continue d'occuper le devant de la scène alors que Chavagnat poursuit la question pour la NASA. Les cryogènes bouillant à des températures très basses, il est donc important de répondre à la question de savoir comment prévenir les pertes de carburant lors des opérations spatiales de routine.

Chavagnat étudie comment l'ébullition se comporterait sous une flottabilité réduite ou absente, qui sont les conditions que le carburant de fusée cryogénique rencontrera dans l'espace.

Pour reproduire les conditions spatiales sur Terre, la flottabilité peut être modifiée sans aller dans l'espace. Chavagnat manipule l'inclinaison de la surface d'ébullition - en la plaçant à l'envers en est un exemple - de sorte que la flottabilité ne fait pas ce qu'elle fait habituellement : aider les bulles à se détacher de la surface. Il effectue également des expériences d'ébullition dans des vols paraboliques pour simuler la microgravité, similaires à ce qui se passe à bord de la Station spatiale internationale.

Chavagnat a conçu et fabriqué des équipements capables d'effectuer les deux méthodes avec un minimum de modifications. "Nous avons observé l'ébullition de l'azote sur notre surface en l'imaginant à l'aide de deux caméras vidéo à haute vitesse", dit-il. L'expérience a été approuvée pour monter à bord des vols paraboliques opérés par Zero-G, une société qui opère des vols en apesanteur. L'équipe a effectué avec succès quatre vols paraboliques en 2022.

"Voler une expérience à bord d'un avion et la faire fonctionner en microgravité est une expérience incroyable, mais c'est un défi", déclare Chavagnat. "Connaître les détails de l'expérience est indispensable, mais d'autres compétences sont très utiles, en particulier travailler en équipe, être capable de gérer des niveaux de stress élevés et être capable de travailler tout en ayant le mal des transports." Un autre défi est que la majorité des problèmes ne peuvent pas être résolus une fois à bord, car les pilotes d'avion exécutent la parabole (chacune durant 17 secondes) presque dos à dos.

Tout au long de ses recherches au MIT, Chavagnat a été captivé par la complexité d'un phénomène aussi simple que l'ébullition. "Dans votre enfance, vous avez une certaine idée de l'apparence de l'ébullition, des bulles relativement lentes que vous pouvez voir à l'œil nu", dit-il, "mais vous ne réalisez pas la complexité tant que vous ne la voyez pas de vos propres yeux."

Dans ses rares temps libres, Chavagnat joue au football avec l'équipe de l'ESN, les Atom Smashers. Le groupe ne se réunit que cinq fois par semestre, c'est donc un engagement discret, dit Chavagnat qui passe la plupart de son temps au laboratoire. "Je fais principalement des expériences au MIT ; il s'avère que les compétences que j'ai acquises dans mon hangar quand j'avais 15 ans sont en fait très utiles ici", rit-il.

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