Sodium

Sodium métallique.

Comme les autres métaux alcalins, le sodium a un aspect doux, blanc argenté, légèrement rosé. C'est un élément très réactif ; en particulier il s'oxyde lentement à l'air humide et réagit violemment avec l'eau : il libère une grande quantité d'hydrogène et produit une explosion, ce qui force à le conserver dans le pétrole ou sous une atmosphère inerte d'azote ou d'argon. Le sodium est léger, flotte sur l'eau et la décompose en libérant du dihydrogène et en formant de la soude (hydroxyde de sodium) :

Réaction du sodium avec l'eau.

Na + H₂O → Na⁺ + OH⁻ + ${\displaystyle {\tfrac {1}{2}}}$ H₂

La chaleur dégagée par la réaction exothermique de décomposition de l'eau suffit généralement, en présence d'oxygène, à faire détoner l'hydrogène produit.

Sa température de fusion relativement basse, aux alentours de 97,81 °C, le rend facile à manipuler, stocker et transporter (en citernes par exemple, dans lesquelles on le solidifie pour le refondre à l'arrivée), à condition d'être très vigilant à bien le laisser toujours sous atmosphère inerte et à l'abri de l'eau ou de l'humidité, en raison de sa grande réactivité.

Ce métal brûle dans l'air avec une flamme jaune (mais il ne s'enflamme qu'à des températures supérieures à 388 K, soit 115 °C).

Raies spectrales du sodium.

Le spectre du sodium possède la particularité de présenter un doublet spectral très brillant dans le jaune. Ces deux raies, localisées à 589,00 et 589,59 nm sont généralement notées respectivement D2 et D1. Leur interférence est responsable d'un phénomène de battement en intensité.

À mesure que la pression augmente, le sodium devient isolant et prend l’aspect d’un matériau noir, puis celui d’un matériau translucide rouge avant de finalement devenir transparent sous une pression de 200 gigapascals[8].

• C'est un excellent conducteur électrique.
• Le sodium est utilisé comme fluide caloporteur à haute température, seul, ou allié au potassium à plus basse température : le mélange NaK est liquide à température ambiante. L'alliage de 78 % K potassium et 22 % Na est liquide jusqu'à −12,6 °C et bout à 785 °C.
• Coefficient de dilatation à 25 °C = 70 × 10⁻⁶ °C⁻¹.
• Formule pour la masse volumique du solide : ρ = 971 / (1+0,00007*(t-20))³ ; avec ρ en kg/m³ et t en °C.
• Corrélation pour la masse volumique du liquide : ρ = 949 - 0,223 × t - 0,0000175 × t² ; avec ρ en kg/m³ et t en °C ; applicable entre 100 et 800 °C[1].
• Corrélation pour la valeur de Cp du solide : Cp = 1,02954 + 0,00059184 × t + 0,00000010528 × t² ; avec Cp en kJ/(kg⋅K) et t en °C ; applicable entre 0 et 90 °C[1].
• Corrélation pour la valeur de Cp du liquide : Cp = 1,62957 - 0,000832987 × T + 0,000000462265 × T² ; avec Cp en kJ/(kg⋅K) et T en K ; applicable entre 100 et 800 °C[1].
• Corrélation pour la viscosité dynamique du liquide : μ = −3,759 × 10⁻¹² × t³ + 6,300 8 × 10⁻⁹ × t² - 3,729 × 10⁻⁶ × t + 9,980 6 × 10⁻⁴ ; avec μ en kg/(m⋅s) et t en °C ; applicable entre 100 et 700 °C.
• Corrélation pour la conductivité thermique du liquide : λ = (2,442544 × (t + 273,15)) / (6,8393 + 0,033873 × t + 0,000017235 × t²) ; avec λ en W/(m⋅K) et t en °C ; applicable entre 100 et 700 °C[1].
• Corrélation pour la pression de vapeur saturante : Ps = 4,216 × 10¹³ × (t + 273,15)^-1,18 × exp[−13 308,94 / (t + 273,15)] ; avec Ps en Pa et t en °C ; applicable entre 100 et 800 °C[9].

Le sodium liquide est un produit dangereux notamment du fait de risque de feux de sodium particulièrement difficiles à éteindre. Mais il intéresse l'industrie nucléaire comme fluide caloporteur dans les réacteurs nucléaires à neutrons rapides, pour deux raisons : ses qualités de conductivité thermique et de capacité calorifique élevée, et le fait d'être peu capturant aux neutrons thermiques (0,4 barn de section efficace) et a fortiori aux neutrons rapides. Toutefois, un peu de sodium 24 est formé au cours du fonctionnement (lorsque le sodium traverse le cœur du réacteur). Le sodium 24 est radioactif, d'une demi-vie courte de 15 h en donnant du magnésium 24 stable. Cela empêche l'approche des circuits jusqu'à une semaine suivant l'arrêt.

Les techniques de maîtrise de ce sodium font l'objet d'un travail continu par le CEA à Cadarache, y compris pour le démantèlement de Superphénix, entamé en 1998[11] et dans la perspective d'une éventuelle mise en œuvre du projet de prototype de réacteur à neutrons rapides « Astrid »[11].

Le réseau dit « école internationale du sodium et des métaux liquides », a accueilli, depuis sa création en 1975, plus de 4 000 stagiaires[11] ; « L’essentiel des recherches s’applique au fonctionnement d’un générateur de vapeur chauffé directement par une circulation de sodium, et vise au contrôle du risque de contact entre le sodium et l’eau. Mais des expériences concernent aussi l’hypothèse d’un générateur de vapeur alimenté par un circuit tertiaire au gaz, avec un circuit secondaire au sodium »[11]. Des travaux visent à mieux neutraliser la vapeur de sodium (qui peut boucher certains filtres), à mieux neutraliser le sodium en cas d'accident ou incident ou lors des vidanges ou démantèlement d'installations (le procédé actuel, procédé NOAH, produit de l'hydrogène et de la soude caustique, deux produits dangereux), ainsi qu'à mieux utiliser l'acoustique pour détecter des débuts d’ébullition ou un état d’engazement du sodium, les ultrasons pour la mesure du débit et de la température du sodium fondu, et la chimie pour la mesure de la teneur en oxygène, les courants de Foucault pour le repérage de défauts dans les installations, la télémétrie, pour la mesure des distances ainsi que des capteurs pouvant être plus ou moins durablement immergés dans le sodium liquide[11]. Un procédé de « carbonatation » permet par contact avec de la soude caustique sous exposition d'un flux de gaz carbonique de nettoyer des parois contaminées, en produisant des carbonates de sodium, inertes et solubles mais ce procédé est lent (moins d'un millimètre/jour)[11].

• Ion sodium
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• Une vidéo sur l'oxydation du sodium
• (en) « Technical data for Sodium » (consulté le 23 avril 2016), avec en sous-pages les données connues pour chaque isotope