Modélisation 3D pour la dispersion atmosphérique de radionucléides en champ proche

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Prise de fonction : Dès que possible

Lieu de travail : Fontenay-aux-Roses (92), déplacements à prévoir à l’École Centrale de Lyon (formation aux outils de base d’écoulement et de dispersion, réunions). Déplacements ponctuels en France et à l’international (conférences…).

Le post-doctorant sera accueilli par le SErvice des Situations d'Urgence et d'organisation de Crise (SESUC) au sein du Bureau de Modélisation destransferts dans l’environnement pour l’étude des Conséquences des Accidents(BMCA). Le BMCA développe des outils de modélisation en dispersion atmosphérique de rejets accidentels. Ces logiciels de calcul scientifique sont intégrés dans la plateforme opérationnelle de calcul de l’IRSN. En cas de rejet accidentel de radionucléides dans l’atmosphère, ces outils sont utilisés par l’IRSN pour prévoir les conséquences sanitaires et environnementales et proposer des actions de protection des populations.

Contexte

Étant donné les contraintes fortes en termes de temps de calcul et les incertitudes inhérentes à une situation d'urgence, la simplicité et la rapidité sont privilégiées. Les estimations sont conduites à l'aide de modèles simples qui fournissent une évaluation conservative des conséquences. Toutefois, ces modèles de type gaussien, utilisés jusqu'à quelques dizaines de kilomètres autour de la source, sont soumis à des hypothèses fortes qui ne sont pas toujours vérifiées, et montrent notamment leurs limitations en champ très proche (quelques centaines de mètres), en milieu bâti ou avec une orographie complexe. Une évaluation plus réaliste des conséquences est alors nécessaire, par le biais de modèles plus sophistiqués qui représentent explicitement l'écoulement autour des obstacles.

Les approches de type CFD (computational fluid dynamics) sont utilisées pour modéliser l'écoulement autour d'obstacles dans un rayon de quelques dizaines de mètres à quelques kilomètres. La dispersion des polluants dans cet écoulement peut alors être assurée par un modèle lagrangien. L'IRSN collabore sur le sujet avec le LMFA (Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique) de l'École Centrale de Lyon, notamment autour de la construction « à froid » de bases d'écoulement pour différentes conditions météorologiques « type » autour de sites nucléaires. L'écoulement correspondant à la situation au moment du rejet est alors calculé par interpolation de champs précalculés. Seule la dispersion est réalisée « à chaud » à l'aide du modèle lagrangien SLAM, ce qui garantit une rapidité de calcul bien supérieure à la solution consistant à recalculer l'écoulement par CFD en même temps que la dispersion.

Un des verrous des approches CFD est la prise en compte des conditions de forçage météorologique, à savoir l'influence sur l'écoulement et la dispersion dans le domaine du champ météorologique non résolu en dehors du domaine. Différentes approches de forçage existent dans la littérature, mais toutes présentent des limitations pour une utilisation opérationnelle (Demael and Carissimo 2008; Vendel 2011). L'objet de ce post-doctorat est de mener une étude de sensibilité et de quantifier les incertitudes associées au forçage météorologique de ce type de modèle.

Missions

Le sujet proposé vise à répondre à trois objectifs :

1. Améliorer le forçage des conditions aux limites des modèles de CFD par la mise en place d'un préprocesseur météorologique permettant d'utiliser des observations au sol ou des données météorologiques à fine échelle, telles que le modèle AROME de Météo France ;
2. Etudier la sensibilité des variables de sortie aux conditions d'entrée, notamment météorologiques (Demaël 2007; Armand et al. 2014) ;
3. Proposer des post-traitements pertinents pour l'analyse rapide de champs issus de ces bases d'écoulement.
   
   Du point de vue de la dispersion, la qualité de ces approches sera évaluée et comparée à des approches simplifiées de modélisation de type gaussien. Pour cela, on s'appuiera sur les campagnes de dispersion menées par l'IRSN :

1. Un programme de mesures en continu du ⁸⁵Kr autour du site ORANO La Hague, à des distances variant de 2 à 30 km du site émetteur [5]. Des séries temporelles de concentration atmosphérique de ⁸⁵Kr ont été mesurées durant 24 mois en différents points géographiques de la péninsule du Nord Cotentin. Le post-doctorat vise à exploiter cette base de données riche, combinée avec l'acquisition météorologique, une fourniture des données de rejet par l'exploitant ;
2. Une campagne de mesures autour d'un site en milieu urbain (projet DIFLU), menée en utilisant de l'hélium comme traceur, afin d'effectuer des mesures en champ très proche (quelques dizaines de mètres) [6] ;
3. D'autres campagnes de l'IRSN pourront également être exploitées dans le cadre de ce post-doctorat.

Références:

1. Armand, P., F. Brocheton, D. Poulet, F. Vendel, V. Dubourg and T. Yalamas (2014), Probabilistic safety analysis for urgent situations following the accidental release of a pollutant in the atmosphere, Atmospheric Environment, 96, 1-10, http://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2014.07.022.
2. Demaël, E. (2007). Modélisation de la dispersion atmosphérique en milieu complexe et incertitudes associées, Thèse de l'École Nationale des Ponts et Chaussées
3. Demael, E. and B. Carissimo (2008), Comparative Evaluation of an Eulerian CFD and Gaussian Plume Models Based on Prairie Grass Dispersion Experiment, Journal of Applied Meteorology and Climatology, 47(3), 888-900, http://doi.org/10.1175/2007jamc1375.1
4. Vendel, F. (2011). Modélisation de la dispersion atmosphérique en présence d'obstacles complexes : application à l'étude de sites industriels. http://www.theses.fr/2011ECDL0011/document
5. El-Ouartassy, Y., Korsakissok, I., Plu, M., Connan, O., Descamps, L., and Raynaud, L.: Combining short-range dispersion simulations with fine-scale meteorological ensembles: probabilistic indicators and evaluation during a 85Kr field campaign, EGUsphere [preprint], https://doi.org/10.5194/egusphere-2022-646, 2022
6. Laguionie, P.; Connan, O.; Tien, T.L.; Vecchiola, S.; Chardeur, J.; Cazimajou, O.; Solier, L.; Charvolin-Volta, P.; Chen, L.; Korsakissok, I.; Guellec, M.L.; Soulhac, L.; Tripathi, A.; Maro, D. Investigation of a Gaussian Plume in the Vicinity of an Urban Cyclotron Using Helium as a Tracer Gas. Atmosphere 2022, 13, 1223. https://doi.org/10.3390/atmos13081223

Profil recherché (formation, compétences, restrictions) :

La candidate ou le candidat devra avoir une solide expérience en modélisation numérique avec des approches de type CFD, idéalement dans le domaine de la modélisation de la dispersion atmosphérique. La connaissance de méthode d'analyse de sensibilité ou de quantification d'incertitudes serait un plus. Une bonne maîtrise des outils informatiques et notamment de l'environnement Linux et du langage Python est requise.