Etude des perturbations du champ électromagnétique par un écoulement de métal liquide contenant une inclusion isolante

Cette these se situe dans le cadre de la conception du reacteur nucleaire a caloporteur sodium ASTRID, actuellement a l'etude au CEA Cadarache. La mesure de vitesse du sodium liquide dans les boucles primaire et secondaire, ainsi que la detection de bulles, en cas de fuite par exemple, representent un enjeu majeur pour le controle et la surveillance en fonctionnement du reacteur. Le caractere conducteur electrique du sodium liquide permet d'envisager l'utilisation de debitmetres a courants de Foucault, ou ECFM (pour Eddy Current Flow Meter) pour repondre a ces fonctions. Une precedente these realisee par Mitlesh Kumar a permis de decoupler le signal mesure a l'ECFM relatif a la vitesse du metal, de celui relatif a la presence d'heterogeneites dans le metal (telles que des bulles). L'objet de la presente these est de caracteriser experimentalement et analytiquement les effets de la vitesse et de la presence d'une inclusion isolante sur le signal mesure, a partir d'ecoulements modeles. Cette approche, complementaire avec un certain nombre d'etudes en ecoulement reel recensees dans la litterature, a pour objectif d'apporter un outil de comprehension physique au systeme. Deux dispositifs experimentaux en metal liquide (galinstan) sont realises. Le premier dispositif represente un ecoulement de galinstan en conduite cylindrique avec un champ de vitesse uniforme (ecoulement piston), contenant une inclusion rigide electriquement isolante simulant une bulle. Le second dispositif experimental est un ecoulement en conduite de galinstan reel en l'absence d'inclusion. Les parametres controles sont la vitesse debitante du metal liquide (de 0.01 a 1 m/s), la taille et la position de l'inclusion (rayon entre 1 et 2.5 mm, profondeur entre 3 et 6 mm) et la frequence (de 0.5 a 20 kHz). Le rayon de la conduite vaut 12.5 mm, et l'epaisseur de peau varie entre 2.4 et 15.3 mm sur cette plage de frequence. Deux modeles theoriques, bases sur la resolution de l'equation d'induction du potentiel vecteur, sont en outre developpes pour determiner les effets de la vitesse et les effets de la presence de l'inclusion sur le signal mesure. Dans les deux experiences, il est montre que le signal mesure relatif a la vitesse du metal varie lineairement avec la vitesse et est maximal a une certaine frequence (f = 2 kHz ici). Ces resultats correspondent a ceux du premier modele theorique et montrent un bon accord avec la litterature. Dans la premiere experience par ailleurs, le passage de l'inclusion a travers l'ECFM se manifeste par une oscillation du signal mesure. Le comportement de l'oscillation est correctement decrit par le second modele theorique dans la limite des basses frequences (jusqu'a 2 kHz) : l'amplitude de l'oscillation est alors proportionnelle au volume de l'inclusion et suit une loi de puissance en f^2. Aux hautes frequences, il est montre que l'amplitude et le dephasage du signal mesure relatif a la presence de l'inclusion sont impactes de maniere importante par la taille et la profondeur de l'inclusion. Un debut de methode inverse est developpe a partir de ce resultat, pour determiner la taille et la position de l'inclusion