Unsteady aspects of sodium-water reaction : water cleaning of sodium containing equipments

par Sofia Carnevali

Thèse de doctorat en Génie des Procédés Industriels et développement durable

Sous la direction de Pierre Guigon et de Christophe Proust.

  • Titre traduit

    Modélisation de la réaction Na-H2O appliquée au lavage des composants contenant du sodium à l'état solide dans une enceinte inertée ou non


  • Résumé

    Cette thèse s’insère dans le cadre des réacteurs rapides à caloporteur sodium (RNRNA) pour lesquels la connaissance approfondie de la réaction chimique entre le sodium et l’eau représente un challenge important aussi bien pour les opérations de traitement du sodium mises en oeuvre durant l’exploitation ou le démantèlement des installations actuelles que pour la filaire SFR (Sodium Fast Reactor) qui est un des concepts de référence envisagé pour les réacteurs de IV génération (R4G). Le sodium est utilisé dans ce type de réacteurs comme réfrigérant primaire du fait de ses propriétés thermiques et neutroniques. Toutefois, le sodium réagit énergiquement avec l’eau (en produisant principalement de l’hydrogène et de la soude) : la compréhension et la maîtrise de cette réaction représentent un enjeu majeur pour la sûreté des réacteurs. Jusqu’à aujourd’hui, le caractère explosif du contact entre sodium et eau était attribué à la réaction secondaire entre l’hydrogène (produit par la réaction sodium-eau) et l’oxygène présent dans l’air. Une importante recherche bibliographique a été conduite et plusieurs expériences ont démontré la présence de réaction explosive aussi bien en présence qu’en absence d’air. Par conséquence, les phénomènes explosifs ne sont pas forcement liés à la présence d’oxygène. La reprise de l’analyse des essais réalisés au CEA, a permis d’avoir une meilleure compréhension phénoménologique de la réaction. L’importance de la vaporisation de l’eau et son potentiel explosif ont été mis en évidence. D’autres essais ont été réalisés dans le cadre de cette thèse pour compléter la compréhension des aspects dynamiques de la réaction. L’étude et l’application aux résultats expérimentaux avec le modèle actuellement utilisé au CEA a bien démontré la nécessité de développer un modèle physique capable de prévoir les effets de pression qui suivent l’interaction entre le sodium et l’eau. Un modèle physique a donc été proposé sur la base des phénomènes identifiés pendant la première partie de cette thèse. Les résultats sont en très bon accord avec les données expérimentales. En conclusion, la complexité de l’interaction entre le sodium et l’eau, qui implique des phénomènes en cinétique rapide en même temps chimiques et thermodynamiques a représenté un important challenge. Ceci a abouti à une meilleure compréhension phénoménologique de la réaction et à la proposition d’un modèle physique tenant compte des aspects thermochimiques et dynamiques, capable d’évaluer les effets explosifs de l’interaction.


  • Résumé

    Sodium fast Reactor (FSR) is one of the most promising nuclear reactor concepts in the frame of Generation IV systems to be commercialised in the next decades. One important safety issue about this technology is the highly exothermal chemical reaction of sodium when brought in contact with liquid water. This situation is likely, in particular during decommissioning, when sodium needs to be firstly converted (‘destroyed’) into non reactive species. This is achieved by water washing : the major products are then gaseous hydrogen and corrosive soda. Today, such operations are performed in confined chambers to mitigate the consequences of any possible abnormal conditions. It has for long been believed that the main safety problem was the combustion of hydrogen in the surrounding air despite some pioneering works suggested that even without air the reaction could be explosive. It is extremely important to clarify the phenomenology of sodium-water interactions since available knowledge does not allow a robust extrapolation of existing data/model to full scale plants. The primary objective of this work is to identify and assess the details of the phenomenology, especially at the sodium/water interface, to isolate the leading mechanisms and to propose a robust and innovative modelling approach. A large body of yet unreleased experimental data extracted from the files of the French Commissariat à l’Energie Atomique (CEA) was collated and analysed on the basis of “explosion” physics. Some additional experiments were also performed to fill some gaps, especially about the kinetics of the reaction. The results strongly suggest that the fast expansion of gas producing a blast wave in certain conditions is a kind of vapour explosion. It also appears that any potential hydrogen-air explosion should be strongly mitigated by the large quantity of water vapour emanating also from the reaction zone. The limitations of existing modelling approaches are clearly identified and alternatives are proposed and offer a better perspective of extrapolation to full scale installations.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe sous forme papier

Informations

  • Détails : 1 vol. (200 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 110 réf.

Où se trouve cette thèse ?