Diagnostics des milieux multiphasiques en conditions hostiles : application à l’aérodispersion des polluants gazeux et particulaires

Emmanuel Porcheron a soutenu son HDR le 11 juin 2015

à l'IRSN Saclay, à Gif-sur-Yvette.

• Denis Boulaud, Directeur adjoint du Pôle Radioprotection-Environnement de l'IRSN (Le Vésinet), rapporteur
  
• Jean-Louis Brenguier, Directeur de la Recherche météorologique pour l’aviation à Météo France (Toulouse), rapporteur
  
• Fabrice Lemoine, Professeur et Directeur du LEMTA (Nancy), rapporteur
  
• Marc Brunel, Professeur au CNRS-Coria (Rouen), examinateur
  
• Gérard Gréhan, Directeur de Recherche au CNRS-Coria (Rouen), examinateur
  
• Frédéric Grisch, Professeur au CNRS-Coria (Rouen), examinateur
  
• Jeroen van Beeck, Professeur à l’institut Von Karman (Rhode-Saint-Genèse), examinateur

Dans la sûreté nucléaire, les recherches sur l’aérodispersion des polluants gazeux ou particulaires s’inscrivent dans la problématique générale de la maitrise des risques de rejets radioactifs dans les installations nucléaires et dans l’environnement, en situation normale ou accidentelle. La multiplicité des situations potentiellement à risque engendre des scénarios d’étude nombreux et variés. Ainsi, les thématiques de recherche abordées dans ce document (illustrées par la Figure 1) couvrent un spectre assez large mais trouvent leur cohérence dans l’étude des phénomènes d’échanges et de transport au sein des écoulements multiphasiques, par le biais du développement de moyens métrologiques adaptés.

Figure 1. Domaines de recherche en lien avec l’aérodispersion

des polluants gazeux et particulaires

Sans être totalement exhaustif, la problématique de la dispersion des polluants dans les installations nucléaires ou dans l’environnement fait intervenir de nombreux phénomènes souvent couplés entres eux, tels que le transport de particules, le mélange de gaz, l’atomisation de liquide, la coalescence, les échanges de masse, de chaleur et de quantité de mouvement dans les sprays ou dans les gaz, le piégeage de particules pour les gouttes, etc. D’une manière générale, la stratégie expérimentale développée pour les étudier repose sur la capacité à pouvoir déterminer localement et si possible de manière non intrusive, l'ensemble des grandeurs permettant d'identifier et de comprendre les différents phénomènes physiques mis en jeux au sein d'un écoulement multiphasique souvent complexe, ce qui impose le développement d’une instrumentation ad hoc. Cette approche permet, en outre, d'obtenir des données pertinentes qui sont utilisées pour la validation des codes de calcul mono et multidimensionnels.

Un des moyens d’étudier ces phénomènes physiques est de réaliser des expérimentations semi analytiques ou analytiques bien instrumentées, à l’échelle du laboratoire, pouvant reproduire des écoulements multiphasiques qui sont, avec une similitude adaptée, représentatifs de ceux rencontrés dans une installation. Dans ce contexte, l’IRSN a développé la plate-forme TOSQAN (Test platfOrm for Simulation and Qualification in AirborNe conditions) à la fin des années 90, pour étudier le risque hydrogène dans les enceintes de confinement de Réacteur nucléaire à Eau Pressurisée (REP), programme qui s’inscrit dans le cadre des études concernant les accidents graves susceptibles d’affecter les réacteurs nucléaires. La mise en adéquation du niveau d’instrumentation de la plate-forme TOSQAN et du besoin inhérent à la caractérisation des écoulements de complexité croissante, a nécessité le développement continu de techniques de mesure innovantes et leur implantation pour des expérimentations réalisées en conditions hostiles. Ce développement a d’abord été réalisé dans le strict cadre de programmes de recherche sur les accidents graves de réacteur nucléaire. Différents programmes d’essais ont été entrepris pour étudier de manière analytique les phénomènes physiques influençant la distribution de l’hydrogène dans une enceinte et l’efficacité du piégeage des aérosols par des gouttes d’eau. Plusieurs de ces expériences ont par ailleurs servi de cas de référence dans des projets européens ou OCDE relatifs à l’étude des accidents graves de réacteur nucléaire.

Par la suite, la plate-forme TOSQAN a subi au fil des années de nombreuses évolutions qui lui ont permis de pouvoir reproduire des conditions aérauliques représentatives de situations variées, qu’elles soient accidentelles, incidentelles ou nominales, à l’intérieur des installations ou dans l’environnement. Ainsi, les efforts de diversification des programmes de recherche ont permis d’inscrire, dans le cadre de collaborations nationales et internationales, la plate-forme TOSQAN et son potentiel d’instrumentation dans de nouvelles études en lien avec la problématique de la dispersion de polluants. De nouvelles thématiques d’étude ont pu être investiguées, telles que le dépôt des radionucléides par voie humide dans l’environnement, les risques inhérents aux réacteurs de fusion et ceux liés aux opérations de démantèlement des installations nucléaires, le développement d’instrumentation aéroportée.

Les travaux de recherche dont une synthèse est présentée dans ce mémoire s’inscrivent dans des problématiques industrielles assez complexes pour lesquelles l’IRSN effectue une recherche finalisée. Il en découle une multiplicité des thématiques de recherche, le niveau d’approfondissement de chaque thématique étant lié à un compromis entre différents facteurs tels que la complexité des phénomènes à étudier, les ressources humaines et budgétaires, les échéances fixées. La recherche et l’identification de moyens de diagnostics permettant d’étudier les écoulements multiphasiques représentatifs de situations réelles rencontrées lors de situations accidentelles, leur développement via des collaborations académiques, leur adaptation à des conditions potentiellement hostiles, constituent la colonne vertébrale de ce mémoire HDR.