Détermination d'une cinétique globale de la réaction sodium-eau à partir de bilans thermiques

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Congrès français de Thermique, SFT2000, Lyon. 15-17 mai 2000

Détermination d'une cinétique globale de la réaction sodium-eau à partir de bilans thermiques

FR0108080 Stéphanie HUGUESr) (">, Georges BERARDIr), Olivier GASTALDI1"*, Christophe LE

NILIOT^")

(*)ESIM / Département Génie Thermique Industriel V ' ^ Technopôle de Château Gombert, 13451 Marseille Cedex 20 * ! >

(**)CEA Cadarache / Laboratoire de Physico-Chimie et Procédés 13108 Saint Paul lez Durance

(***)IUSTI / UMR 65-95

Technopôle de Château Gombert, 5 Rue Enrico Fermi, 13453 Marseille Cedex 13

Résumé - L'objectif de cette étude est la détermination d'une cinétique globale de la réaction sodium- eau en régime diffusionnel. Dans ce contexte, un banc expérimental a été conçu pour réaliser des essais permettant d'estimer le flux de chaleur produit lors de la réaction à la surface du sodium. Une méthode inverse est utilisée pour caractériser le flux diffusif entrant dans le sodium, assimilé à l'énergie de la réaction.

1. Introduction

Les Réacteurs à Neutrons Rapides (RNR) utilisent le sodium comme fluide caloporteur.

Avant toute intervention sur un composant ayant été en contact avec du sodium, il est nécessaire de lui faire subir un lavage afin d'éliminer le sodium résiduel déposé sur les parois ou retenu dans les singularités de forme après vidange et égouttage. Ces opérations de lavage consistent à faire réagir le sodium résiduel avec de l'eau. Cette réaction est instantanée, fortement exothermique et productrice de soude et d'hydrogène. Afin de travailler dans des conditions optimales de sécurité, le CEA a entrepris un programme de recherche et de développement pour étudier plusieurs procédés de lavage. Ainsi, l'installation CIGNE (Cinétique Gaz sodium (Na) Eau) permet de mettre en oeuvre la réaction sodium-eau en régime diffusionnel [1,2], le sodium étant solide, et l'eau sous forme vapeur dans de l'azote, utilisé comme gaz porteur. La teneur en eau dans le gaz est variable. Toutefois, afin de contrôler la réaction, et de rendre le procédé fiable, l'eau est apportée en petite quantité. La fraction molaire maximale d'eau dans l'azote utilisée lors des essais CIGNE est de 3 %. Des essais à 2 et 3 % ont été réalisés.

La méthode inverse utilisée permet d'identifier les températures et densités de flux à la surface du sodium, à partir de températures internes au support en acier. L'énergie de la réaction peut alors être déduite de la connaissance de ces champs. Cette méthode a été choisie car elle n'est pas intrusive (pas de perturbations) et n'est pas affectée par l'évolution de l'interface sodium-soude.

Dans ce qui suit, nous présentons tout d'abord l'installation CIGNE, et en particulier le réacteur et son instrumentation. Ensuite, les résultats obtenus concernant les essais à 3 % d'eau sont analysés en détail et interprétés. Enfin, la comparaison des cinétiques de réaction

déterminées pour les essais à 2 et 3 % d'eau permet de mettre en évidence l'influence de la teneur en eau sur la vitesse de consommation du sodium.

2. L'installation CIGNE

L'installation CIGNE a été conçue pour étudier et faire la démonstration de l'efficacité du procédé de lavage qu'elle met en œuvre à petite échelle. Cela passe par la détermination des lois fondamentales de cinétique et de transfert qui régissent la réaction sodium-eau en régime diffusionnel. Afin de respecter au mieux les conditions réelles rencontrées lors des opérations de lavage, le sodium, placé dans une barquette en acier 316 L, se trouve à l'état solide en fine couche de 3 mm d'épaisseur, de 20 cm de longueur et de 2,5 cm de largeur. Pour maîtriser la réaction, la quantité d'eau dans l'azote est très faible (teneur en eau maximale de 3 %), mais toutefois suffisante pour assurer une durée de réaction raisonnable.

2.1 Le dispositif expérimental

Une vue en coupe du réacteur expérimental est représentée sur la figure 1. Afin de résoudre le problème inverse d'identification du flux <|> à la surface du sodium, des mesures de température sont effectuées par huit thermocouples situés à 2,5 mm de l'interface sodium-acier et numérotés dans l'ordre croissant suivant le sens de l'écoulement du gaz (figure 1). Ces thermocouples sont plus rapprochés à l'entrée du réacteur. En effet, la teneur en eau dans le gaz diminue lors de son écoulement le long du sodium. Ainsi, la quantité d'eau dans l'azote est maximale à l'entrée du réacteur. Par conséquent, la réaction y est plus vive et les transferts thermiques plus importants. D'autre part, pour diminuer les fuites thermiques, toutes les faces de la barquette ont été recouvertes de 3 mm d'isolant. La température du réacteur, dans lequel s'insère la barquette, est régulée à 50°C.

Le mélange azote / vapeur d'eau est préparé en amont de la zone de réaction. Un débitmètre massique régulateur permet de fixer le débit d'azote. Une pompe doseuse reliée à un réservoir d'eau déminéralisée envoie, à fréquence fixée, de l'eau dans un humidificateur, où celle-ci est vaporisée et envoyée dans le courant de gaz inerte. Afin d'éviter tout phénomène de condensation, les températures sont maintenues à 70 °C pour les tuyauteries, et à 50 °C pour le gaz.

Les concentrations d'eau dans le gaz sont mesurées en amont et en aval du réacteur par un analyseur infrarouge. Le suivi de la quantité d'hydrogène dans le gaz sortant s'effectue au moyen d'un spectromètre de masse. Ainsi, des bilans matière sur l'eau et sur l'hydrogène peuvent être réalisés, permettant de recouper les résultats obtenus à partir des flux de chaleur.

Ces flux sont identifiés par résolution du problème inverse décrit au paragraphe suivant.

2.2 Identification de la température et de la densité de flux à la surface du sodium

La mesure de température est effectuée dans la barquette en acier supportant l'éprouvette de sodium, une telle position perturbe peu le champ de température dans l'éprouvette de sodium. La connaissance de la température dans l'acier et de la température à la surface de l'éprouvette passe donc par la résolution d'un problème inverse de diffusion de la chaleur.

La méthode choisie est celle des éléments de frontière décrite en détail en [3]. Le système diffusif est composé de deux domaines en contact parfait : l'éprouvette de sodium et la barquette en acier. L'éprouvette sodium est discrétisée en 18 éléments de frontière dont 8 sont

situés à l'interface sodium-soude. Ces éléments sont répartis de telle sorte que le centre de gravité de chaque élément se trouve au-dessus d'un thermocouple. Pour tenir compte d'éventuelles fuites thermiques, des conditions limites de type Fourier sont appliquées à la barquette en acier. Les données nécessaires à la résolution du problème inverse sont fournies par les 8 températures internes. La résolution est effectuée en régime instationnaire sur 100 pas de temps de 36 s. Le problème inverse de diffusion de la chaleur est très sensible au bruit de mesure car mal posé ; pour stabiliser la solution on utilise la méthode des pas de temps futurs associée à une régularisation d'ordre 2 de Thikonov [3]. Le nombre de pas de temps futur choisi est de 4 et le coefficient de régularisation de 10"4. La résolution d'un système linéaire sur les 100 pas de temps nous donne les champs de température et de flux sur les 8 éléments situés à l'interface sodium-soude.

2.3 Conditions de réalisation des essais

Pour déterminer l'influence de la teneur en eau sur la vitesse de réaction, des essais à 2 % et 3 % d'eau dans l'azote ont été réalisés. Le débit d'azote a, quant à lui, été fixé à 30 1/min pour les deux types d'essais, ce qui correspond à un écoulement laminaire du gaz au-dessus du sodium. Afin de réduire le refroidissement de l'azote humide par le haut du réacteur, celui-ci est recouvert d'un couvercle en Plexiglas (figure 1), ce qui permet également de visualiser l'évolution de la surface réactionnelle au cours du temps.

En outre, nous avons considéré que la totalité du flux de réaction était pratiquement assimilable au flux (j> estimé par méthode inverse, en raison de la faible vitesse d'écoulement du gaz et de la bonne conductivité thermique du sodium (140 W/m.K). D'autre part, l'objectif de l'étude étant d'approcher la cinétique de la réaction, cette hypothèse peut être admise.

3. Résultats expérimentaux

Afin d'étudier en détail les phénomènes physiques ayant lieu lors d'une telle réaction, seuls les résultats des essais à 3 % d'eau dans l'azote sont analysés. Les essais à 2 % sont utilisés pour évaluer l'influence de la teneur en eau sur la cinétique de la réaction.

3.1 Identification des températures de surface 3.1.1 Les températures mesurées

La figure 2 présente les températures des thermocouples 2, 6 et 8 pour un essai à 3 % d'eau.

On constate que celles-ci augmentent très rapidement pendant environ 1500 s, pour ensuite se stabiliser. En effet, au début de la réaction, la surface supérieure du sodium est facilement accessible. La vapeur d'eau est tout de suite en contact avec le sodium, ce qui explique la vivacité de la réaction, et par conséquent, un important dégagement de chaleur. Par contre, au cours du temps, la formation d'une couche de soude, constituant une barrière entre le sodium et la vapeur d'eau, amoindrit les transferts de matière. La réaction est donc ralentie, un régime stationnaire est atteint, et les températures se stabilisent, voire diminuent légèrement.

D'autre part, à chaque instant, les températures à l'entrée du réacteur sont plus élevées que celles à la sortie. D'une manière générale, les températures diminuent le long de la barquette en raison de l'appauvrissement du gaz en eau lors de son écoulement.

3.1.2 Les températures de surface

Les températures de surface identifiées correspondant aux températures mesurées par les thermocouples 2, 6 et 8 sont représentées sur la figure 3. Globalement, les tendances générales sont identiques : diminution des températures le long du réacteur et profils de courbes comparables. Toutefois, les températures de surface obtenues sont légèrement plus élevées puisque la surface du sodium est l'endroit même où a lieu la réaction chimique. Cependant, les écarts observés entre ces deux séries de température sont relativement faibles en raison de la très bonne conductivité thermique du sodium et de la position des thermocouples par rapport à l'interface sodium-acier (2,5 mm).

3.2 Identification des flux de surface

La figure 4 présente les profils de densités de flux identifiées le long de la barquette à différents instants de la réaction. Comme pour les températures, ces flux sont importants au début de la réaction du fait de la faible épaisseur de la couche de soude. Cette figure montre également que dans l'espace, ces flux de surface sont plus élevés à l'entrée du réacteur, endroit où la concentration en eau dans l'azote est la plus importante.

D'autre part, la densité moyenne de flux de réaction est relativement stable au cours du temps (figure 5). En effet, lors de la réaction, la diminution des flux en entrée du réacteur, en raison de l'épaisseur de la couche de soude formée, est compensée par l'augmentation des flux de surface en sortie du réacteur, endroit où la couche de soude est beaucoup plus fine {figure 6). Les perturbations observées sur les courbes de densités de flux identifiées sont le résultat du caractère mal posé du problème inverse. Elles résultent d'une amplification du bruit de mesure observé sur la figure 2.

3.3 Détermination des cinétiques de réaction

Les vitesses de consommation du sodium sont déterminées à partir de la densité moyenne de flux estimée par méthode inverse et de la valeur de l'enthalpie de réaction : 138 kJ/mole de sodium.

Pour un essai à 3 % d'eau, la densité moyenne de flux identifiée est de 1070 W/m2 (figure 5). La surface du sodium est de 5.10"3 m2, ce qui permet de calculer le flux dégagé au cours de la réaction, soit 5,5 W, correspondant à une vitesse de consommation du sodium de 4.10'5

mole/s. Le tableau ci-dessous (tableau 1) récapitule les cinétiques de réaction évaluées pour des essais à 2 et 3 % d'eau.

Tableau 1 : Calcul des vitesses de consommation du sodium

Essais Densité moyenne de flux identifiée (W/m²) Vitesse de consommation du sodium (mol/s)

Essais à 2 % 633 2,3.10⁵

Essais à 3 % 1070 3,9.10'^s

L'ordre de grandeur des cinétiques de réaction est cohérent avec les estimations effectuées par des mesures approximatives de la quantité de sodium restant après une durée donnée de réaction. Toutefois ces valeurs sont vraisemblablement sousestimées en raison du transfert de chaleur dans la phase gazeuse qui a été négligé. L'augmentation de la fraction d'eau dans le gaz accélère la réaction sans toutefois la rendre incontrôlable. En effet, pour une teneur en eau maximale de 3 %, la réaction est lente et continue. Au vue de ces seules données, un procédé

utilisant 3 % d'eau serait favorable à une bonne destruction du sodium. Néanmoins, d'autres paramètres sont à prendre en compte, notamment les conditions d'écoulement sur une géométrie plus complexe et les effets induits par un changement d'échelle.

4. Conclusion

La première étape de la détermination de la cinétique de la réaction sodium-eau en régime diffusionnel (procédé eau vapeur dans un gaz porteur) à partir de bilans thermiques, donne des résultats cohérents avec les autres types de mesures effectuées (bilan matière sur l'hydrogène et sur l'eau). Ces résultats vont être analysés plus en détail afin d'établir un modèle cinétique.

L'utilisation d'une méthode inverse présente l'avantage sur les bilans matière de pouvoir estimer des densités de flux à des interfaces non directement accessibles et d'obtenir leurs valeurs en différentes zones du réacteur. Cette méthode permettra donc de définir localement des cinétiques de réaction.

5. Références

[1] O. Gastaldi, A.L. Gassin, M. Meyer, A. Sargousse, J.M. Le Lann, M. Prévost, Dynamic modelling and simulation of sodium (solid film)-water (steam) reaction, 2nd European Congress of Chemical Engineering, Montpellier France, 5-7 Oct. 1999.

[2] J. M. Lutton, R.P. Colburn, F. Welch, Sodium removal and decontamination of LMFBR components for maintenance, Atomic Energy Review, 18 4 (1980), p 815-891.

[3] R. Pasquetti, C. Le Niliot, Boundary element approach for inverse conduction problems:

application to a bidimensionnal transient numerical experiment, Num. Heat Transfer, Part B, 20: 169-189, 1991.

6. Présentation des figures

PLEXIGLAS SODIUM

2,5 mm

200 mm Légende : • Thermocouple

Isolant

mm

12 mm

Figure 1 : Dispositif expérimental en coupe utilisé pour la résolution par méthode inverse

VI

I •'

r/ /

is

•'

"••—.•.•.

58 57 U 5 6

O

§54

£53

£52

51 50 49

0 500 1000 1500 2000 25C0 3000 3500 Tenps(s)

Figure 2 : Températures mesurées par certains thermocouples

59 58 57 U56

fi

£ 5 2 51 50 49

/ / .

•

—92

/

*

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• • • 6 8

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0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Tenps(s)

Figure 3 : Températures de surface identifiées aux éléments 2, 6 et 8

•36s —720s -*- 1080s -^1800sj

0.00 0.05 0.10

Abscisse (rr^

0.15 020

Figure 4 : Profils de densités de flux identifiées le long de la barquette à la surface du sodium

0 1000 2000 3000 4000

Tenps(s)

Figure 5 : Densité moyenne de flux identifiée à la surface du sodium

2 0 0 0

X 3

«H

•a

c

Q

(p 8 • cp 6 <P 2

1 0 0 0 2 0 0 0 T e m p s ( s )

3 0 0 0 4 0 0 0

Figure 6 : Evolution des densités de flux de surface identiflées aux éléments 2, 6 et 8