Modélisation multi-échelle de la combustion d’un nuage de particules : mélanges hybrides et transferts radiatifs

Les risques d’explosion de poussières sont fréquemment rencontrés dans les installations industrielles où les composés pulvérulents mis en jeu sont d’une grande diversité. Dans le cadre des études de sûreté menées à l’IRSN, ce risque est par exemple envisagé lors des opérations de démantèlement des réacteurs UNGG (Uranium Natural Graphite Gaz) et dans les scenarios d’accident de perte de vide dans le tore de l’installation ITER. Dans le premier cas, les poussières constituées de particules métalliques et de graphite proviennent du vieillissement des caissons et des opérations de démantèlement. Dans le deuxième cas, les poussières remises en suspension en cas d’entrée d’air proviennent de l’érosion des parois du tore par le plasma et sont constituées de tungstène et de béryllium.

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre du développement d’un outil de calcul prédictif visant à caractériser l’explosivité d’un mélange gazeux chargé en particules. Il s’agit en particulier de caractériser le mélange au travers de la vitesse laminaire de flamme qui, comme pour les mélanges gazeux, constitue une propriété intrinsèque et une donnée d’entrée pour les outils d’évaluation. L’outil de calcul sera ainsi utilisé comme pré-processeur d’un calcul CALIF 3 S-P 2 REMICS, à la manière de CHEMKIN ou CANTERA pour les mélanges gazeux. Un tel outil est indispensable, dans la mesure où le nombre de paramètres (composition, granulométrie...) est trop grand pour permettre une exploration expérimentale systématique.

Les travaux menés au cours d’une première thèse sur le sujet ont permis de développer, dans le cadre d’une technique de changement d’échelle basée sur la méthode de moyenne volumique, un code de simulation Euler-Lagrange pour la combustion de particules de graphite. Il s’agit de poursuivre les développements pour des particules métalliques. Pour ce type de particules, les transferts radiatifs jouent un rôle important sur la propagation du front de flamme et il s’agira de proposer un modèle macroscopique dans le cadre de la technique d’échelle utilisée précédemment. Les travaux en cours se concentrent sur l’oxydation de particules métalliques, en particulier les particules d’aluminium, et sur la modélisation des transferts de masse. Il s’agit de tenir compte de la fusion du cœur d’aluminium, de la réaction hétérogène sur la couche d’alumine ainsi que de la vaporisation et la combustion d’aluminium gazeux dans le modèle d’oxydation. On s'intéressera ensuite à des mélanges hybrides, constitués de différents types de particules, pour lesquels il n’existe pas d’approche prédictive.