Combustion-Vitrification de déchets radioactifs par plasma d`arc

UNIVERSITE DE LIMOGES
ECOLE DOCTORALE Science – Technologie – Santé
FACULTE des Sciences et Techniques
Année : 2003 Thèse N° 16-2003
Thèse
pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE LIMOGES
Discipline / Spécialité : Matériaux Céramiques et Traitements de Surface
présentée et soutenue par
Benoit BARTHELEMY
le 12 juin 2003
Thèse dirigée par Monsieur Jean Marie BARONNET
JURY :
M G. COGNET rapporteur Ingénieur, HDR, CEA
M P. MOSZKOWICZ rapporteur Professeur, INSA de Lyon
M J.M. BARONNET examinateur Professeur, Université de Limoges
Mlle C. VANDENSTEENDAM examinateur Maître de Conférence, Docteur ès Sciences,
Université de Limoges
Mme A. VARDELLE examinateur Professeur, Université de Limoges
M E. VERNAZ examinateur Directeur de Recherche, HDR, CEA
M C. DAGOT invité Maître de Conférence, HDR, Université de
Limoges
Mme C. DELALONDRE invité Ingénieur de Recherche, EDF
M C. GIROLD invité Ingénieur de Recherche, CEA
M B. PAYA invité Ingénieur de Recherche, EDF
Combustion – Vitrification de déchets radioactifs par
plasma d'arc :
Modélisation de la thermique et de la dynamique

A mes parents pour tous leurs sacrifices,
à mon frère, à Carole,
à ma grand-mère,
à ma famille.

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Je tiens tout d'abord à remercier le Commissariat à l'Energie Atomique (CEA) et
Electricité de France (EDF) pour le financement de ce travail.
Monsieur le Professeur J.M. BARONNET, Directeur du Laboratoire de Chimie des
Plasmas de l'Université de Limoges, m'a toujours témoigné sa confiance. Ses conseils
fructueux et sa rigueur scientifique m'ont permis de mener à bien ce travail et de comprendre
"qu'il faut toujours persévérer pour obtenir des résultats toujours meilleurs". Qu'il veuille
bien trouver ici le témoignage de ma profonde et sincère reconnaissance.
A Madame le Professeur A. VARDELLE, de l'Université de Limoges, j'exprime ma
gratitude pour avoir accepté de présider le jury de cette thèse.
A Monsieur le Professeur P. MOSZKOWICZ, de l'INSA de Lyon, qui a accepté d'être
rapporteur de cette thèse et de participer au jury, j'exprime ma vive reconnaissance et mon
profond respect.
Je remercie également Monsieur G. COGNET, HDR, Ingénieur au CEA, d'avoir
accepté d'examiner ce mémoire et m'avoir fait l'honneur de siéger parmi les membres du
jury.
J'exprime tous mes remerciements à Monsieur E. VERNAZ, Directeur de recherche
au CEA, qui a accepté d'être membre du jury.
A Mademoiselle C. VANDENSTEENDAM, Maître de Conférence à l'Université de
Limoges, qui par ses critiques et sa rigueur scientifique a permis à ce travail d'être ce qu'il
est, j'exprime ma vive reconnaissance et mon profond respect.
Je remercie Monsieur C. DAGOT, Maître de Conférence à l'Université de Limoges,
d'avoir jugé mon travail et d'avoir accepté de participer à mon jury.
A Madame C. DELALONDRE, Ingénieur EDF, Monsieur B. PAYA, Ingénieur EDF,
et Monsieur C. GIROLD, Ingénieur CEA, j'exprime toute ma gratitude pour l'intérêt et
l'attention particulière qu'ils ont posé sur mon travail.

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Je tiens également à exprimer ma profonde reconnaissance à Monsieur R. BOEN,
Chef du Service de Confinement et Vitrification de Déchets pour m'avoir accueilli dans son
équipe, à Monsieur J.P. ROZAIN, Chef du Département d'Ingénierie et d'Etudes du
Conditionnement, et à Monsieur J.P. MONCOYOUX, Directeur du CECER, qui a toujours
porté une certaine attention à ce travail
Je voudrais également remercier tous les membres des différents laboratoires que j'ai
fréquentés durant ma thèse, plus particulièrement Annie, Maïté, Jacques, Lionel, Isabelle F.,
Isa, Gaëlle, qui par leur bonne humeur et leur gentillesse m'ont permis de mener à bien ce
travail.
Merci à tous les autres pour votre amitié, votre présence et votre simplicité : Nuno,
Mathieu, Jean Pierre, Florent, Christophe L., Oliver L., Armand, Olivier P., Michèle, Jean
Luc, Guy, Alexandre, Hugo, Alain, Camille, Isabelle A., Mariette, Séverine, Sylvie, …
Enfin, je voudrais remercier toutes les personnes qui ont du me supporter durant ces
trois années et plus particulièrement mes parents, ma grand-mère, mon frère et Carole, Jean
et Bernadette, Alain et Jacqueline, Jacques et Ginette, Marie Sandrine, Cathy, Diane, Vince,
Odile, Fabrice, Claire T., Claire S., et tous mes amis.

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Résumé
Ce mémoire concerne la modélisation thermique et dynamique d'un procédé de
combustion/vitrification de déchets radioactifs simulés par plasma d'arc transféré.
L'auteur présente les procédés de confinement des déchets radioactifs utilisant les
plasmas d'arc et les différents logiciels pouvant servir à leur modélisation.
On trouve ensuite une description du dispositif expérimental reposant sur un four à
arc électrique assisté d'un système à induction assurant l'homogénéisation du bain de verre.
Un essai de combustion/vitrification de déchets est présenté accompagné des bilans matière
et thermiques. Les champs de température dans l'arc et la conductivité thermique de la fritte
de verre sont mesurés.
Enfin, l'auteur décrit et explicite les équations résolues lors de la simulation de l'arc
électrique et de la fonte de verre intégrant la notion d'autocreuset. Les résultats de simulation
sont présentés sous forme de distribution spatiale de température, de vitesse, de puissance
volumique, ...
Abstract
This thesis is concerned with the thermal and dynamic modelling for a
combustion/vitrification process of surrogate radioactive waste under transferred arc plasma.
The confinement processes for radioactive waste using arc plasma and the different
software used to model theses processes are presented.
This is followed by a description of the experimental set-up including a plasma arc
reactor and an inductive system allowing the homogenisation of glass temperature. A
combustion/vitrification test is described. Energy and material balances are discussed. The
temperature fields of plasma arc and the glass frit thermal conductivity are measured.
Finally, the writer describes and clarifies the equations solved for the simulations of
the electrical arc and the glass melting including the thin layer of glass frit coating the
crucible cold walls. The modelling results are presented in the form of spatial distribution of
temperature, velocity and volumic power …