La réaction sodium-eau : un processus hétérogène à emballement

Sodium-water reaction : a heterogeneous runaway process

• Auteur / Autrice : Lucas David
• Direction : Richard Saurel, Alexandre Allou, François 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) : École 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
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gloria Faccanoni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Proust, Chaouki Habchi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique des fluides

Thermochimie

Thermodynamique

Teneur en eau

Teneur en sodium

Réactions chimiques

Mots clés libres

Sodium

Réaction sodium-Eau

Réaction hétérogène

Emballement

Interfaces diffuses

Spectroscopie

Sodium

Sodium-Water reaction

Heterogeneous reaction

Runaway

Diffuse interfaces

Spectroscopy

Résumé

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

The reaction of sodium metal with water is a heterogeneous reaction: reactants are in two distinct condensed phases, separated by a layer of gas. In such configuration, a runaway of the reaction is theoretically not possible, yet experimental observations show the opposite. An explosive runaway of sodium-water reaction can indeed be triggered, generating pressure waves and ejecting matter. A mechanism is proposed to explain these observations by sodium vaporization. As a consequence of the heat generated by the heterogeneous reaction, sodium would vaporize intensely and mix with water vapor in gas-phase, which would generate a homogeneous configuration enabling a runaway. The study of this mechanism is presented through a three-way approach: analytical, numerical and experimental. An analytical, Semenov-type 0d model, adapted to the heterogeneous configuration, first demonstrates that this mechanism can result in a reaction runaway. Numerical simulations of sodium-water reaction, in 1d and in 2d with the “diffuse-interface” approach, then show that this mechanism can produce explosive effects such as shock waves and ejection of matter. Finally, an experimental study confirms the presence of sodium vapor, although the temperature measured inside the liquid sodium is far from its boiling temperature. This study therefore shows that the explosive effects of the sodium-water reaction can theoretically be explained by a rapid vaporization of sodium, although as experimental results suggest, the actual phenomenology is probably more complex. It possibly involves subscale phenomena such as turbulence or fragmentation mechanisms that were not considered in this study