Étude expérimentale et modélisation des explosions hybrides solides/solides : application au cas des mélanges de poussières graphite/métaux

par Miriam D'Amico

Thèse de doctorat en Génie des procédés et des produits

Sous la direction de Olivier Dufaud et de Laurent Perrin.

Le président du jury était Jean-François Brilhac.

Le jury était composé de Olivier Dufaud, Laurent Perrin, Christian Chauveau, Wassila Benaissa, Jean-Claude Latché.

Les rapporteurs étaient Jean-François Brilhac, Christian Chauveau.


  • Résumé

    Dans le cadre des opérations de démantèlement des centrales nucléaires UNGG (Uranium Naturel Graphite Gaz), l’occurrence de phénomènes indésirables, tels que l’inflammation et l’explosion de poudres, ne peut pas être systématiquement exclue. Plus particulièrement, le risque d’inflammation et d’explosion de poussières de graphite, pur ou mélangé avec des impuretés métalliques telles que des particules de magnésium ou de fer, nécessite d’être évalué de façon plus approfondie. Les travaux de cette thèse s’inscrivent donc dans ce contexte et ont deux objectifs principaux : l’évaluation expérimentale de l’explosivité et sa modélisation. 1. L’évaluation expérimentale de l’explosivité des poudres d'intérêt a été réalisée tant en termes de sensibilité à l’inflammation, en couche et en nuage, que de sévérité à l’explosion. En effet, les caractéristiques explosives d’une poussière ou d’un mélange sont fortement influencées par plusieurs paramètres. Ils dépendent d’une part des conditions opératoires, tels que la turbulence, la température et l'énergie d’inflammation, et d’autre part, des propriétés physico-chimiques et de la composition des matériaux. Cette étude s’est focalisée sur des poudres pures de graphite, de magnésium et de fer de taille micrométrique et sur leurs mélanges, dans un éventail de concentrations d’intérêt industriel. Nous avons constaté que l’introduction de métaux peut changer en premier lieu l’étape limitant la vitesse de combustion du graphite. Tout d’abord, les phénomènes cinétiques limitant de l’oxydation du graphite ont été distingués de ceux des métaux (respectivement, réaction hétérogène ou flamme de diffusion gazeuse). En deuxième lieu, il est apparu que la flamme peut être épaissie par la présence du rayonnement lors de la combustion du métal, alors que ce phénomène est négligeable pour le graphite pur. Enfin, la turbulence initiale du nuage de poussière peut être elle aussi modifiée par l'ajout d'une deuxième poudre en vue des caractéristiques granulométriques et de densité différentes. Une étude paramétrique a donc été réalisée afin d'évaluer l'explosibilité des mélanges considérés en prenant en compte les effets de l'humidité relative des poudres, de leur distribution granulométrique, de la puissance de la source d'ignition, de la turbulence initiale du milieu et de la composition. Pour ce faire, nous avons utilisé à la fois des appareils et des technologies conventionnelles, tels que la sphère de 20 litres, la vélocimétrie par images de particules et la thermogravimétrie, mais également des nouvelles installations dédiées à la caractérisation des écoulements turbulents transitoires lors de la dispersion des poudres dans la sphère d'explosion et à l’étude de la propagation d’une flamme en milieu semi-confiné. Il a été clairement démontré que l'ajout de poudres métalliques influence l'aptitude à enflammer le nuage de poussière. L'énergie et la température minimale d'inflammation diminuent fortement lorsque le magnésium est ajouté au graphite ; ce phénomène est moins sensible pour les particules de fer. De plus, la sévérité de l'explosion augmente avec une telle addition. Cet effet de promotion est particulièrement visible sur la cinétique de combustion. 2. La modélisation du phénomène explosif a été réalisée à l’aide de la simulation numérique afin d’estimer une vitesse de propagation de flamme laminaire et d’étudier les effets induits par des facteurs spécifiques d’intérêt industriel, tels que le diamètre des particules ou la concentration en poudre. L’intérêt d’estimer une vitesse de flamme laminaire réside dans son caractère pseudo-intrinsèque. En connaissant les caractéristiques turbulentes d’un milieu industriel complexe, ce paramètre donne la possibilité d’obtenir une vitesse de propagation de flamme turbulente propre au milieu réel et donc d’estimer les effets d’une explosion potentielle. Les résultats expérimentaux ont été utilisés afin de valider le modèle numérique développé

  • Titre traduit

    Experimental study and modeling of solid/solid hybrid explosions : application to graphite/metal dust mixtures


  • Résumé

    During the decommissioning operations of the UNGG (Natural Uranium Graphite Gas) nuclear plants, the occurrence of undesirable phenomena, such as dust ignition and explosion, cannot be systematically neglected. In particular, graphite powders, pure or mixed with metals impurities present on the sites, such as magnesium or iron, can represent a potential risk that needs to be further evaluated. This work falls within this context and has two main objectives: the experimental evaluation of the explosion severity and its modeling. 1. The experimental evaluation of the explosivity of such a powders has been carried out both in terms of ignition sensitivity, of dust layer and cloud, and explosion severity. Actually, explosive characteristics of a dust or of a mixture are strongly influenced by several parameters. They depend on the one side on the operating conditions, such as turbulence, temperature and energy of the ignition source, and on the other side, of course, on the materials physicochemical properties and composition. This study focuses on pure micronized powders of graphite, magnesium, and iron and on their mixtures, in a concentration range of industrial interest. It has been demonstrated that the introduction of metals can change, first of all, the rate limiting step of the graphite combustion. Therefore, the kinetic phenomena controlling the graphite oxidation have been distinguished from those of metals (oxygen diffusion or metal vaporization). Secondly, the flame can be thickened by the presence of the radiation during the metal combustion, while this phenomenon is negligible for pure graphite. Finally, the initial turbulence of the dust cloud can be modified by adding a second powder because of the different granulometric characteristics and density. A parametric study was conducted to evaluate the mixtures explosivity taking into account the effects of the relative humidity, the particle size distribution of the powders, the power of the ignition source, the initial turbulence and the composition of the mixture. In order to do this, we used both conventional devices and technologies, such as 20-liters explosion sphere, the particles image velocimetry and the thermogravimetry, but also new facilities dedicated to the characterization of the transient turbulent flow during the dispersion of the powders in the explosion sphere and to study the propagation of a semi-confined flame. It was clearly demonstrated that the addition of metals influences the ability to ignite the dust cloud. The minimum ignition energy and temperature greatly decrease when magnesium powder is added to graphite dust; this phenomenon is less remarkable for iron particles. In addition, the severity of the explosion increases with such an addition. This promotion effect is particularly significant on the combustion kinetics. 2. The modeling of the explosive phenomenon has been performed using numerical simulations in order to estimate a laminar flame propagation velocity and to study the effects induced by specific factors of industrial interest, such as the particle size or the powder concentration. The interest in determining a laminar flame velocity is its pseudo-intrinsic character. Once known the turbulent characteristics of a complex industrial environment, this parameter gives the opportunity to obtain a turbulent flame propagation velocity in a real environment and, therefore, to estimate the effects of a potential explosion. Experimental results were used to validate the numerical model developed during this work


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