Dans l’étude de la propagation du feu le
long des chemins de câbles dans les centrales nucléaires, la nature des
câbles et de leur gaine a été identifiée comme un facteur important
jouant sur le développement du feu. Dans le but de simuler la pyrolyse
et la propagation du feu le long de ces câbles, il est nécessaire de
caractériser les propriétés thermiques et thermocinétiques des matériaux
dont ils sont constitués tout au long du processus de leur dégradation.
Or, la caractérisation directe de certaines propriétés, notamment la
conductivité thermique, n’est pas toujours aisée dans la mesure où les
résidus de ces matériaux peuvent changer de volume, de morphologie et
être friables. C’est pourquoi il est proposé dans ce travail d’estimer
la conductivité de ces matériaux et de leurs résidus en prenant en
compte leur morphologie caractérisée par micro-tomographie et la
conductivité de leurs constituants.
Cette approche se divise en quatre étapes :
- Construire
une représentation 3D des polymères aux étapes les plus significatives
de leur pyrolyse compte tenu de la cinétique de leur dégradation, à
partir d’images acquises par tomographie X pour la macro-structure et
par microscope électronique à balayage (MEB) pour la micro-structure.
- Evaluer les conductivités thermiques effectives des polymères dégradés à ces étapes par une méthode d’homogénéisation numérique.
- Proposer
un modèle conceptuel pour l’évolution de la morphologie au cours de la
dégradation du matériau, dont on déduit ensuite un modèle pour la
conductivité thermique.
- Implémenter ce modèle de
conductivité effective dans la modélisation de la pyrolyse afin
d’effectuer la simulation complète de la dégradation de ces matériaux,
en tenant compte des transferts de chaleur et de masse et des réactions
chimiques.
Dans le
cadre de cette thèse, on s’intéressera plus particulièrement au cas de
mélanges EVA-ATH (Ethylvinyl-acétate et aluminium-trihydraté, agent
ignifuge minéral). Ces matériaux contiennent une dispersion de grains
d'environ 2 µm correspondant à la charge d’ATH, et leurs états dégradés
présentent des pores dont la taille n’excède pas quelques centaines de
microns. On s’attend donc à ce que les transferts thermiques soient
dominés par la conduction et que le rayonnement joue un rôle
négligeable. Par ailleurs, il existe un fort écart de conductivité entre
les différents constituants, à savoir les gaz occupant le volume des
pores, la matrice polymère, l’ATH et l’alumine issue de sa
déshydratation. Ces contrastes induisent une forte incertitude sur la
conductivité effective du matériau. Dans ce contexte, l’approche
proposée permet d’estimer la valeur de la conductivité effective mais
aussi les incertitudes liées à différentes caractéristiques du matériau
(échelles de porosité, anisotropie, conductivité des différentes
substances en présence). Cette estimation porte en premier lieu sur les
états de dégradation particuliers observés sous tomographie et imagerie
MEB. Mais la formulation d’un modèle conceptuel donne également accès à
cette conductivité tout au long de la dégradation du matériau. Ces
estimations sont enfin utilisées pour réaliser des simulations de
pyrolyse avec le logiciel de simulation des incendies CALIF3S-ISIS de
l’IRSN. Ces simulations visent d’une part à reproduire des essais de
dégradation d’échantillons d’EVA-ATH sous cône calorimètre issus de la
littérature ; d’autre part, des études de sensibilité aux incertitudes
sur les différents paramètres du modèle, incluant celles du modèle de
conductivité effective, sont menées afin de déterminer, pour ce type de
matériau, les paramètres ayant le plus d’influence sur le processus de
pyrolyse.
