Etude numérique et expérimentale à l’échelle pilote de l’injection d’hydrogène dans le sodium liquide par perméation à travers une membrane de nickel

Numerical and experimental study at the pilot scale of the hydrogen injection into liquid sodium by permeation through nickel membrane

• Auteur / Autrice : Pietro Brazzale
• Direction : Xuân-Mi Meyer, Xavier Joulia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 12/11/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierrette Guichardon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xuân-Mi Meyer, Xavier Joulia, Éric Favre, Giulia Bozzano, Christian Latgé, Thierry Gilardi, Remy Dupraz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Favre, Giulia Bozzano

Mots clés

Mots clés contrôlés

Membranes de séparation des gaz

Nickel

Hydrogène

Mots clés libres

Hydrogène

Perméation

Membrane de nickel

Réacteurs à Neutrons Rapides refroidis à Sodium

Tritium

Hydrogen

Permeation

Nickel membrane

Sodium Fast Reactor

Tritium

Résumé

Dans le cadre des Réacteurs à Neutrons Rapides refroidis à Sodium (RNR-Na), le contrôle de la contamination du tritium dans les circuits sodium et la maitrise de sa diffusion dans l’atmosphère est fondamentale. Afin de piéger et récupérer le tritium, il est nécessaire de maintenir une quantité minimale d’hydrogène dissous dans le sodium liquide. L’injection d’hydrogène par perméation à travers une membrane dense de nickel a été proposée afin de fournir un apport d’hydrogène continu au flux de sodium liquide et obtenir la concentration en hydrogène souhaitée. Des membranes de nickel similaires ont été conçues dans le passé pour les RNR-Na (hydrogènemètres), mais un manque de connaissance et d’applications demeurent en ce qui concerne l’injection d’hydrogène par perméation. Dans cette étude, un nouveau prototype de perméateur a été conçu et testé expérimentalement à l’échelle pilote dans un circuit sodium expérimental, sous différentes conditions opératoires (température : 375°C-450°C; pression partielle d’hydrogène à l’alimentation : 5 kPa-28 kPa). Un système métrologique dédié a été élaboré, basé sur la chromatographie appliquée au gaz rétentat et couplé à la détection d’hydrogène dans le sodium via un hydrogène-mètre associé à un spectromètre de masse. Il fournit une estimation précise du flux de perméation d’hydrogène transféré de la phase gaz au sodium liquide. Des tests ont été menés en configuration gaz-vide et gaz-sodium : dans les deux cas, le flux de perméation dépend linéairement de la racine carrée de la pression partielle d’hydrogène en alimentation jusqu’à 20 kPa, démontrant ainsi que, dans cet intervalle, le processus est limité par la diffusion de l’hydrogène à travers la membrane de nickel. En particulier, la présence du sodium dans le côté perméat ne semble pas avoir d’influence significative sur le transfert de masse de l’hydrogène. Les résultats, comparés avec la loi théorique de la perméation, fournissent un coefficient de perméabilité expérimental, spécifique à la géométrie et à la configuration du prototype. La comparaison avec les résultats de la littérature, concernant des petits échantillons de nickel, révèle dans cette étude des coefficients de perméabilité légèrement plus élevés ainsi qu’une énergie d’activation plus faible. Cela pourrait s’expliquer par des phénomènes ayant lieu dans le réticule cristallin de la membrane, probablement liés à la déformation à froid subie lors de sa fabrication, avec un impact sur la perméation. Globalement, le processus expérimental a été validé avec succès tout en démontrant la faisabilité de cette application à l’échelle pilote. Un modèle analytique 1D a été développé avec une approche multi-physique, afin d’établir le transfert de masse radial de l’hydrogène à travers les trois domaines physiques : gaz, nickel et sodium liquide. Il utilise des corrélations de référence pour le transfert de masse convectif dans la phase gaz et sodium en géométrie tubulaire, la loi de Sieverts pour les équilibres H-Ni et H-Na, la loi de Richardson pour la perméation de l’hydrogène à travers la membrane de nickel, considérée limitée par la diffusion. Des simulations CFD, réalisées dans une géométrie 2D axisymétrique avec Comsol-Multi-physics, ont fourni une meilleure compréhension des phénomènes de transport ayant lieu et ont confirmé les résultats obtenus par le plus simple modèle 1D sous certaines conditions, spécifiques au prototype expérimental. En conclusion, l’activité expérimentale a montré un bon accord avec le modèle 1D et les simulations CFD tout au long de l’intervalle de température et jusqu’à des pressions partielles d’hydrogène de 20 kPa. En rassemblant les éléments expérimentaux et numériques obtenu par cette étude, une loi constituée d’une simple équation a été définie pour décrire les performances du prototype afin d’aider l’activité de conception de cette application à l’échelle industrielle.

In the framework of the SFR (Sodium-cooled Fast Reactors), the management of tritium contamination in sodium circuits and the control of its release in atmosphere is fundamental. In order to capture and recover the tritium, it is necessary to maintain a certain amount of hydrogen dissolved in the liquid sodium stream. The hydrogen injection by permeation through nickel dense membranes has been proposed to provide a continuous hydrogen intake to liquid sodium stream, thus allowing the desired hydrogen concentration to be reached. Similar nickel-based membranes have been developed in the past for SFR (i.e. hydrogen-meters), but a lack of knowledge and applications is found for what concerns the hydrogen injection by permeation. In this study, an original permeator prototype has been designed and an experimental activity at pilot-scale has been carried out on an experimental sodium loop, under different operating conditions (temperature: 375°C-450°C; hydrogen supply partial pressures: 5 kPa-28 kPa). A dedicated measurement system, based on the gas chromatography on the retentate side, coupled to the hydrogen detection inside sodium (through a dedicated hydrogen-meter using mass spectrometry), has provided an accurate estimation of the hydrogen permeation flowrate. Tests are carried out for both a gas-vacuum and a gas-sodium configuration: in both cases, the global hydrogen permeation flowrate depends linearly on the square root of the hydrogen partial pressure in the feed side up to 20 kPa, thus demonstrating that the process in this range is limited by the hydrogen diffusion inside the nickel membrane. In particular, the presence of sodium in the permeate side does not affect significantly the whole mass transfer process. The results, compared to the permeation theoretical laws, provide an experimental permeability coefficient, specific to the prototype geometry and configuration. Comparison to values from the literature results for small nickel samples, showed that some metal-lattice phenomenon, probably linked to the membranes deformation by cold-working, could affect the hydrogen permeation in this study. In fact, slightly higher permeation coefficient with a lower activation energy is found here if compared to the literature. Finally, the experimental process has been successfully validated, thus demonstrating the feasibility of this application at the pilot-scale. An analytical 1D model has been set up with a multi-physics approach, in order to assess the radial hydrogen mass transfer in steady conditions over three physical domains, including gas, nickel and liquid sodium. It includes benchmark literature correlations for the convective mass transfer inside gas and sodium phase in tubular geometry, the Sieverts law for the H-Ni and H-Na equilibrium, coupled to the Richardson’s law for the hydrogen permeation through the nickel membrane, assumed to be diffusion-limited. CFD simulations, performed in a 2D axial-symmetric geometry with the software Comsol Multiphysics, have provided a better comprehension of the transport phenomena taking place and have confirmed the results of the straightforward 1D model under certain conditions, specific to the experimental prototype. Finally, the experimental results have shown a good agreement with the 1D model and CFD simulations in the whole temperature interval and up to a hydrogen partial pressure of 20 kPa. By resuming all the elements provided by this study, both at the experimental and numerical stage, a single equation law has been defined to describe the prototype performance and to enhance the industrial scale-up design activity