Combustion du sodium : le code de calcul NACOM

III.1.1. Pourquoi NACOM ?

Différents rapports ont été rédigés pour référencer et décrire les codes simulant les effets de feu de sodium en spray : on peut citer par exemple (Casselman & Soucille, 2009) pour l’IRSN et (Tara, Radel, Nowlen, Blanchat, & Hewson, 2007) pour Sandia National Laboratories (USA). Dans ces deux rapports, une description et une analyse comparative succincte des codes ont été présentées.

Plusieurs codes se distinguent comme FEUMIX, PULSAR (Labracherie & Le Saux, 1998; Le Saux, 1999a), NABRAND (Shire, 1977) (basé sur l’outil de calcul SPRAY pour ce qui concerne le feu en spray) et CONTAIN (Tsai, 1979) (basé sur le code NACOM pour ce qui concerne le feu en spray). FEUMIX se révèle trop général pour l’étude menée ici, NABRAND est moins bien validé que CONTAIN. PULSAR, NACOM et CONTAIN sont les codes qui intègrent la modélisation la plus proche

de ce qui est nécessaire pour les objectifs de cette thèse (conclusions des rapports (Casselman & Soucille, 2009; Tara, et al., 2007)).

La documentation sur ces codes a été analysée. Il en résulte que PULSAR ne simule pas l’oxydation, réaction chimique hétérogène, des gouttes de sodium (qui précède la combustion) (Charpenel, Cherdron, & Malamas, 1982; Labracherie & Le Saux, 1998; Le Saux, 1999a, 1999b). NACOM permet de simuler les périodes avant et après le début de combustion, mais la chimie, au- delà de l'oxydation/combustion n’est pas traitée. Le modèle de la combustion implanté dans CONTAIN est un développement de NACOM permettant d’obtenir plus d’informations sur le feu de sodium en spray, mais le code en lui-même n’est pas disponible à l’IRSN et la documentation associée est assez sommaire (Murata, 1989).

De cette étude des différents codes de calcul, il découle que seul NACOM simule la phase d’oxydation préalable des gouttes de sodium lors d'un feu en spray, pourtant base des réactions thermiques dans l’enceinte de confinement ou des locaux de la centrale. Dans le contexte d'une enceinte de confinement, le choix d’ignorer l’oxydation a pour but de simplifier les codes mais entraîne une surestimation légère de la cinétique de montée en température et en surpression (car combustion immédiate). Il est donc a priori conservatif pour l’évaluation de la sûreté des installations. Dans le cadre de l’étude de la quantité d’aérosols libérés dans l’enceinte de confinement, ignorer l’oxydation conduit à surestimer fortement cette quantité (phase d'oxydation transformant le sodium en croûte d'oxyde de sodium et donc ne produisant pas d'aérosols). Il est donc nécessaire de prendre en compte ce phénomène afin d’obtenir une estimation précise de la quantité d’aérosols rejetée dans l’enceinte de confinement.

Donc NACOM, traitant de la chute des gouttes de sodium, comprenant l'oxydation et la combustion, semble intégrer la modélisation la plus intéressante pour nos applications. De ce fait, le calcul de la quantité d’aérosols produite devrait être plus précis. NACOM sera donc le point de départ du code qui sera développé ici.

La modélisation implémentée dans NACOM a donc été dans un premier temps reprise dans le nouveau logiciel NATRAC et ce nouveau logiciel a été vérifié par comparaison avec les résultats obtenus avec NACOM.

III.1.2. Vérification sur les résultats de NACOM : tests initiaux, reproductibilité

Les données de l’expérience (données utilisateur) « AI JET TEST NO.8-SODIUM SPRAY IN LTV » ont été préparées pour NATRAC dans une approche de vérification et de validation du code. En effet, le document (Tsai, 1979) contient les données et les résultats complets de cette expérience simulée avec NACOM par Tsai. Nous allons réaliser deux études différentes : surpression dans l’enceinte et distance de chute d'une goutte de sodium avant amorçage de sa combustion. On peut donc comparer les résultats de l’expérience avec les résultats du code NACOM et ceux de NATRAC V1. On précise que la taille des gouttes a été mesurée lors de ces expériences, où typiquement, la méconnaissance de cette taille constitue une incertitude très pénalisante à la

validation des modélisations de feux de sodium pulvérisé (cf. expériences réalisées par (Makino & Fukada, 2005), Chapitre II.2.1.ii), comme représentées sur la Figure 13).

Cf. Figure 13 Comportement de la combustion d'une goutte de sodium dans l'air

Dans un premier temps, une expérience d’échauffement et de pressurisation d'une enceinte sera étudiée. Cet exercice sert à valider le taux d’oxydation et de combustion du code pour l’expérience AI JET TEST n°8. Le dispositif expérimental du LTV (Large Test Vessel) est présenté sur la Figure 15.

Le code nécessite : les dimensions et la pression initiale de l’enceinte, les caractéristiques de la fuite de sodium relâché (débits en fonction du temps, température initiale du sodium, vitesse moyenne des gouttes ...), des températures dans l’enceinte.

On observe que les résultats de NACOM et NATRAC sont similaires ce qui vérifie la bonne reproduction du code NACOM et ces résultats reproduisent plutôt bien les données expérimentales. Les modèles contenus dans les deux codes sont assez bien validés pour l'expérience AI LTV n°8, Figure 26.

Figure 26 Comparaison des prédictions de NACOM/NATRAC V1 aux mesures de l’expérience LTV concernant l’augmentation de la pression (croix bleu : NACOM/NATRAC, point rouge : expérience)

Avec la comparaison suivante, nous nous intéressons plus particulièrement maintenant à la physique d’une goutte de sodium en chute libre avant et après combustion.

NATRAC V1 peut simuler la chute d’une goutte de sodium dont on connaît le diamètre afin d’étudier les distances de chute avant combustion. Comme précédemment, on confronte les résultats du code aux données expérimentales.

Sur la figure ci-dessous (Figure 27), on peut observer que si les résultats de NACOM et NATRAC V1 sont très légèrement différents (écart trop faible pour être visible sur le graphique), cette différence ne peut être expliquée que par manque d'information dans l’article de Tsai pour recréer exactement la même simulation. Néanmoins, on observe une bonne similitude des résultats calculés et expérimentaux, preuve que NATRAC V1 simule bien les expériences AI JET.

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050 0 10 20 30 40 50 P re ssu re R ise (a tm ) TIME (s)

Figure 27 Résultats de NATRAC V1 avec les mesures expérimentales LTV reliant le diamètre de la goutte et sa distance de chute avant amorçage de sa combustion (croix bleu : NATRAC, point rouge : expérience)