Soutenance de thèse de Lucas DAVID

La réaction sodium-eau est une réaction hétérogène : les réactifs sont en deux phases séparés par un film de gaz. Dans une telle configuration, une réaction chimique ne peut théoriquement pas s’emballer, or les observations démontrent le contraire. En effet, la réaction sodium-eau peut sous certaines conditions devenir explosive, générant des ondes de pression et des éjections de matière Un mécanisme présenté dans les précédents travaux propose d’expliquer ces observations par la vaporisation du sodium. Sous l’effet de la chaleur dégagée par la réaction, le sodium pourrait se vaporiser intensément et se mélanger à la vapeur d’eau, permettant l’emballement. Dans ce manuscrit, une étude approfondie de ce mécanisme est présentée au travers d’une approche déployée suivant 3 axes: analytique, numérique et expérimental. Un modèle analytique 0d de type Semenov, adapté à la configuration hétérogène, montre d’abord que ce mécanisme peut en effet aboutir à un emballement de la réaction. Des simulations numériques de la réaction sodium-eau à l’échelle centimétrique, en 1d puis en 2d avec l’approche « interfaces diffuses », démontrent ensuite que ce mécanisme est susceptible de produire des effets explosifs (ondes de choc, expansion de gaz et éjection de matière). Ces effets sont reproduits numériquement en intensifiant les phénomènes diffusifs qui favorisent le mélange des réactifs en phase gazeuse. Enfin, une étude expérimentale confirme la présence de vapeur de sodium, bien que la température mesurée au cœur du sodium soit éloignée de la température d’ébullition. Il ressort de cette étude que des phénomènes de sous-échelle dans le « film de gaz». tels que des microbulles ou la turbulence, sont nécessaires à la fabrication d’un prémélange réactif en phase gazeuse susceptible de conduire aux effets observés expérimentalement.

The reaction of sodium metal with water is a heterogeneous reaction: reactants are in two distinct condensed phases, separated by a layer of gas. In such configuration, a runaway of the reaction is theoretically not possible, yet experimental observations show the opposite. Under certain conditions, an explosive runaway of sodium-water reaction can indeed be triggered, generating pressure waves and ejecting matter. A mechanism is proposed to explain these observations by sodium vaporization. As a consequence of the heat generated by the heterogeneous reaction, sodium would vaporize intensely and mix with water vapor in gas-phase, which would generate a homogeneous configuration enabling a runaway. In this manuscript, the in-depth study of this mechanism is presented through a three-way approach: analytical, numerical and experimental. An analytical, Semenov-type 0d model, adapted to the heterogeneous configuration, first demonstrates that this mechanism can result in a reaction runaway. Numerical simulations of sodium-water reaction at the centimeter scale, in 1d and in 2d with the “diffuse-interface” approach, then show that this mechanism can produce explosive effects such as shock waves and ejection of matter. These effects are numerically reproduced by intensifying diffusive processes that allow reactant mixing in the gas-phase. Finally, an experimental study confirms the presence of sodium vapor, although the measured inside the liquid sodium temperature is far from its boiling temperature. This study shows that sub-scale phenomena in the gas layer, such as microbubbles or turbulence, are necessary for the formation of a reactive gas premix that can lead to the effects observed experimentally.