Thèse soutenue

La réaction sodium-eau : un processus hétérogène à emballement

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Auteur / Autrice : Lucas David
Direction : Richard SaurelAlexandre AllouFrançois Beauchamp
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Mécanique, physique, micro et nanoélectronique
Date : Soutenance le 04/12/2019
Etablissement(s) : Aix-Marseille
Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMA, Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique (UMR 7031 ; CNRS, Ecole Centrale de Marseille, Aix-en-Provence) - Laboratoire de Technologie Procédés et risques Sodium LTPS (CEA Cadarache)
Jury : Président / Présidente : Dominique Eyheramendy
Examinateurs / Examinatrices : Gloria Faccanoni
Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Proust, Chaouki Habchi

Résumé

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La réaction sodium-eau est une réaction hétérogène : les réactifs sont en deux phases séparées par un film de gaz. Une telle réaction chimique ne peut théoriquement pas s’emballer, or les observations démontrent le contraire. En effet, la réaction sodium-eau peut devenir explosive, générant ondes de pression et éjections de matière. Un mécanisme présenté précédemment propose d’expliquer ces observations par la vaporisation rapide du sodium. Sous l’effet de la chaleur dégagée par la réaction, le sodium pourrait se vaporiser intensément et se mélanger à la vapeur d’eau, permettant l’emballement. Une étude de ce mécanisme est présentée au travers d’une approche déployée sur 3 axes : analytique, numérique et expérimental. Un modèle analytique 0d de type Semenov montre d’abord que ce mécanisme peut bien aboutir à un emballement. Des simulations numériques en 1d puis en 2d avec l’approche “interfaces diffuses”, démontrent ensuite que ce mécanisme est susceptible de produire des effets explosifs (ondes de choc, expansion de gaz et éjection de matière). Enfin, une étude expérimentale confirme la présence de vapeur de sodium, bien que la température mesurée au cœur du sodium soit éloignée de la température d’ébullition. Cette étude montre donc que les effets explosifs de la réaction sodium-eau peuvent théoriquement être expliqués par une vaporisation rapide du sodium, mais que, comme le suggèrent les résultats expérimentaux, la phénoménologie réelle est sans doute plus complexe. Celle-ci fait probablement intervenir des phénomènes sous-échelle tels que la turbulence ou des mécanismes de fragmentation qui n’ont pas été pris en compte dans cette étude