Development of a multi-sensor metrological device for measuring aerosol deposition on the walls of a room during a fire
Développement d’un dispositif métrologique multi-capteurs pour la mesure du dépôt d’aérosols dans un local lors d’un incendie
Résumé
This PhD has been carried within a joint research project Orano/IRSN which main objective is to estimate the consequences of a fire on the containment of radioactive substances in a basic nuclear installation (BNI). This work aims to develop a multi-sensor device for soot deposited mass quantification on the walls of a room during a fire. In a first step, the deposited soot masses were quantified on the various walls of a test room (BNI) during real scale fires, using an ex situ method. Then, we identified the zones and the predominant mechanisms of soot deposits, using deposit models implemented in the ANSYS © CFX computer code. These conclusions are in agreement with those experimentally reported. This allowed us to identify the sensor’s specifications for the in-situ measurements on the walls.Two methods were evaluated for the quantification of the deposited mass using sensors. For each method, resistive sensors composed of interdigitated electrodes were used as a support for the soot deposit. The first “Electrical conductance” measurement method allows an indirect monitoring of the deposited soot’s mass thanks to the calibration of its conductance as a function of the mass (evaluated using a thermo-optical method). The calibration revealed 2 regions, a first one where the sensor is “blind”, for low deposited masses between 0 and 2.4 µg and a sensitive region for deposited masses between 2.4 and 20 µg (for an area of 12.25 mm²). This calibration was carried out for two types of soot (reference soot from a propane / air diffusion flame and soot generated by the combustion of an industrial solvent). The linear zone was found to be more restricted for soot from industrial solvent. Finally, for the second method, the resistive sensor regeneration phase (soot combustion on the sensor) is used to quantify the mass of particles deposited on its surface by measuring the concentration of CO2 emitted during this phase. This second method, called “CO2 emission measurement” is complementary to the “Electrical conductance” method and is applicable for deposited masses between 16 µg and 350 µg (for an area of 12.25 mm²). These methods have been discussed in relation to the fire application and prospects for future developments were presented.
Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre d’un programme de recherche commun Orano/IRSN visant à estimer les conséquences d’un incendie sur le confinement des substances radioactives dans une installation nucléaire de base. L’objectif de la thèse est de développer un dispositif multi-capteurs permettant la quantification des masses de suies déposées sur les parois d’un local lors d’un incendie.Pour ce faire, les masses de suies déposées ont été quantifiées en fonction des emplacements de prélèvement avec une méthode ex-situ lors d’essais incendie à grande échelle. Puis, nous avons identifié les zones et les mécanismes prépondérants de dépôts de suies à l’aide de modèles implémentés dans le code de calcul ANSYS© CFX. Les conclusions issues de ces calculs sont en accord avec celles issues des mesures expérimentales de dépôt. Ces modèles ont ensuite été utilisés pour définir les spécifications d’un capteur de suie dédié à la mesure in-situ sur les parois.Deux méthodes ont ensuite été mises en œuvre pour la quantification de la masse déposée à partir de capteurs. Pour chacune d’elles, des capteurs résistifs composés d’électrodes interdigitées servent de support au dépôt des suies. La première méthode de mesure « Conductance électrique » permet un suivi indirect de la masse de suies déposée à travers l’étalonnage de sa conductance en fonction de la masse de suies déposée (estimée à l’aide d’une méthode thermo-optique). L'étalonnage a révélé 2 régimes pour le capteur : un régime où le capteur est "aveugle", pour des faibles masses déposées (entre 0 et 2,4 µg) et un autre régime linéaire présentant une bonne sensibilité du capteur (entre 2,4 et 20 µg) (pour une surface de 12,25 mm²). Cet étalonnage a été réalisé pour deux types de suies (suies de référence issues d’une flamme de diffusion propane/air et suies produites par la combustion d’un solvant industriel). La zone linéaire s’est avérée plus restreinte pour les suies produites par le solvant industriel.Enfin, pour la deuxième méthode, la phase de régénération du capteur résistif (combustion des suies présentes sur le capteur) est employée afin de mener à bien la quantification de la masse de particules déposées à sa surface en mesurant la concentration de CO2 émis lors de cette phase. Cette seconde méthode, intitulée « Mesure d’émission de CO2 » s’avère complémentaire à la méthode « Conductance électrique » et est applicable pour des masses déposées comprises entre 16 µg et 350 µg (pour une surface de 12,25 mm²). Ces méthodes ont été discutées par rapport à l’application incendie et les perspectives de futurs développements sont conséquentes.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|