Etude de l'explosion de mélanges diphasiques : hydrogène et poussières

Two-phase mixtures explosion study : hydrogen and dusts

• Auteur / Autrice : Jérémy Sabard
• Direction : Nabiha Chaumeix, Laurent Catoire
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie. Cinétique chimique
• Date : Soutenance le 06/09/2013
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut de combustion aérothermique réactivité et environnement (Orléans, Loiret ; 2007-...)
• Jury : Président / Présidente : Claude-Etienne Paillard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nabiha Chaumeix, Laurent Catoire, Claude-Etienne Paillard, Mikhail Kuznetsov, Marc Bellenoue, Ahmed Bentaib
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Mikhail Kuznetsov, Marc Bellenoue

Mots clés

Mots clés contrôlés

Explosions

Combustion

Radioprotection

Mélanges (chimie)

Hydrogène

Coups de poussières

Mots clés libres

Sûreté nucléaire

Mélanges diphasiques

Bombe sphérique

Vitesse fondamentale de flamme

Pression maximale de combustion

Indice de déflagration

Nuclear safety

Two-phase mixtures

Spherical bomb

Fundamental flame speed

Maximum combustion pressure

Deflagration index

Résumé

Cette étude s’inscrit dans le cadre de la sûreté de l’installation ITER. En effet, des études d’accidentologie concernant cette installation ont permis de mettre à jour un risque d’explosion de mélanges à base d’hydrogène et de poussières. L’objectif de la thèse est d’acquérir les données fondamentales caractérisant l’explosion de ces mélanges diphasiques permettant ainsi d’évaluer les pressions générées par une éventuelle explosion des poussières qu’elle soit concomitante on non à celle de l’hydrogène. Pour se faire, des expériences, en bombe sphérique, ont été réalisées concernant des mélanges gazeux hydrogène - oxygène - azote. Les expériences ont été accomplies pour des températures de 303 et 343 K et des pressions de 50 et 100 kPa pour différentes concentrations en hydrogène et différents rapports N2/O2 dans le mélange. Les paramètres de caractérisation de l’explosion de ces mélanges ont été déterminés tels que la pression maximale de combustion (PMAX), l’indice de déflagration (KG ou KST), le temps de combustion (tC), la vitesse fondamentale de flamme (SL°) et la longueur de Markstein (LB). Une modélisation cinétique de la vitesse de flamme utilisant le code COSILAB a été réalisée, permettant de déduire la vitesse fondamentale de flamme sur la base de trois mécanismes cinétiques détaillés de la littérature. Celle-ci a permis l’évaluation de l’énergie d’activation globale sur la base du modèle cinétique présentant le meilleur accord avec l’expérience. De plus des calculs thermodynamiques à l’équilibre ont été réalisés afin de comparer les pressions maximales de combustion aux valeurs théoriques. Pour les mélanges diphasiques, un nouveau système d’introduction des poussières a été mis en place et des expériences caractérisant les paramètres d’explosion de ces mélanges ont été réalisées dans la bombe sphérique. Celles-ci ont permis de mettre en exergue le fait qu’une explosion de poussières, sous certaines conditions peut-être concomitante à une explosion d’hydrogène.

The context of the study is the safety of the ITER installation. Indeed, studies have shown that it exists a risk for two-phase mixtures of hydrogen and dust can explode and create a safety risk for the ITER installation. This aims to obtain the fundamental data which characterize the explosion of these mixtures and to evaluate the pressure loads they can generate. To do so, experiments in spherical bomb have been carried out for hydrogen - oxygen - nitrogen mixtures at two initial temperatures (303 and 343 K) and pressures (50 and 100 kPa) for different hydrogen concentrations and different N2/O2 ratios. Explosion parameters like maximum combustion pressures (PMAX), deflagration indexes (KG or KST), combustion times (tC), fundamental flame speeds (SL°) and Markstein lengths have been determined. A kinetic modelling of the flame speed, using the COSILAB software was performed based on three detailed kinetic models available in the literature and allowed the calculation of the global activation energy on the basis of the kinetic model which showed the best agreement with the experimental data. Moreover equilibrium calculations were achieved to compare PMAX to the theoretical values. For two-phase mixtures, a new introduction device was tested and set up and experiments characterizing the explosions parameters of the two-phase mixtures have been performed in the spherical bomb. They were able to stress out the fact that, under some circumstances, dust explosion can be concomitant to a hydrogen explosion.