Étude expérimentale et numérique de la fusion de l’alliage Zamak (Zn-4Al) utilisé comme matériau à changement de phase (MCP) dans une enceinte fermée en acier inoxydable

ATRIUM est un réacteur à neutrons rapide refroidi au sodium (RNR-Na) conçu dans le cadre du développement des nouvelles générations de centrales nucléaires. L’une des technologies proposées dans ce concept, introduite pour satisfaire les exigences de sûreté, est la conception d’un système compact et passif d’évacuation de la puissance résiduelle (EPuR). Ce composant a pour rôle de stocker la chaleur excédentaire du cœur nucléaire lors d’un arrêt d’urgence, et ce pendant plusieurs jours, sans intervention externe ni alimentation électrique. Afin de garantir la compacité du système, une configuration modulaire a été retenue : le matériau à changement de phase (MCP) métallique choisi pour stocker la chaleur, le Zamak (Zn-4Al), est encapsulé dans de multiples boîtes quasi cubiques en acier inoxydable SS430 d’environ 65 cm de côté. En conditions de fonctionnement, chaque bloc de MCP enfermé dans une boîte en acier inoxydable subit une transition de phase solide-liquide mobilisant une chaleur latente importante pour assurer sa fonction de stockage thermique. Le comportement thermique global du système est influencé par la dynamique du processus de fusion, elle-même affectée par l’interaction entre les parois internes de la boîte SS430 et le Zamak fondu. Dans notre étude, ce mécanisme est d’abord observé in situ à l’échelle de laboratoire (quelques grammes). Le comportement non-mouillant est attribué à la présence d’une couche d’oxyde native à la surface de l’alliage Zn-Al. La persistance de cette couche protectrice et son rôle devront être pris en compte lors de la montée d’échelle du système. Le comportement thermique du système est ensuite étudié grâce à un dispositif expérimental nommé ZABOX, représentatif, à une échelle réduite, d’un module du système d’EPuR. Une boîte en acier inoxydable (15x15x8 cm) est remplie d’un lingot de Zamak de 95x40x20 mm sous atmosphère d’azote, puis une des faces est chauffée par conduction. L’installation est instrumentée avec des thermocouples placés à la surface ainsi que dans la boîte et à l’intérieur du lingot. Une caméra infrarouge est utilisée pour mesurer la distribution de température sur toutes les surfaces externes de la boîte ; Lors de la chauffe, le champ thermique et la fusion du MCP sont ainsi clairement observés. Les données thermiques enregistrées lors des expériences permettent de reconstruire de manière indirecte la position du Zamak fondu et servent à l’ajustement d’un modèle CFD (Computational Fluid Dynamic) intégrant les mécanismes de transfert thermique et le comportement du MCP.

Article

PDF : download