Laboratoire d'expérimentation environnement et chimie (L2EC)

Les recherches expérimentales du L2EC portent sur les phénomènes et les mécanismes ayant une influence sur le transfert des produits radioactifs en situations accidentelles survenant dans une installation nucléaire. Ces activités sont menées dans la plateforme expérimentale CHROMIA (chimie et radiochimie pour l’étude et la mitigation des accidents). La connaissance du comportement physico-chimique acquise permet ensuite de modéliser celui-ci, en lien avec le Laboratoire d’étude des transferts de radioéléments (LETR) de l’IRSN, au moyen d’outils tels que le système de logiciels ASTEC . Ces études sont réalisées en vue d’une évaluation qualitative et quantitative, cohérente avec la précision requise pour les études de sûreté, des rejets de produits radioactifs dans l’environnement pendant un accident survenant dans une installation nucléaire. Elles peuvent également répondre à des besoins ponctuels de connaissance, en lien avec l’expertise lors de l’instruction de certains dossiers.

Une autre composante du laboratoire porte sur des activités en lien avec le comportement des matériaux d’une part sur le vieillissement de matériaux polymériques soumis à des sollicitations/contraintes, notamment de la température et de l’irradiation et, d’autre part sur l’étude à grande échelle du développement de pathologies dites gonflantes affectant des ouvrages massifs en béton (enceinte de confinement, ouvrage de stockage de déchets …), dans le cadre de l’étude de la pérennité dans le temps des installations nucléaires. Ces études sont réalisées sur la plateforme expérimentale ODE.

Les 2 plateformes CHROMIA et ODE sont référencées dans le projet Européen OFFERR (eurOpean platForm For accEssing nucleaR R&d facilities).

Les thèmes de recherche étudiés au sein du laboratoire concernent la caractérisation des termes sources radioactifs émis en situations accidentelles, et le vieillissement au sens large des matériaux polymères et pathologies gonflantes affectant le béton.

Deux grands domaines dans la caractérisation des termes sources radioactifs émis en situations accidentelles 

1. L’étude du comportement d’éléments radioactifs suite à un incident/accident survenant à une installation nucléaire, incluant la chimie des produits de fission sous rayonnement grâce à l’irradiateur EPICUR dont dispose le laboratoire, avec mesures en ligne de l'iode par marquage à l’iode 131, et la chimie à haute température (jusqu’à 1500°C) dans les bancs d’essais CHIP ou START, en présence d’un gradient thermique pour étudier le couplage transport-réactivité chimique. Ce domaine inclut aussi un volet remobilisation de dépôts de contaminants par changement d’atmosphère (oxydation) ou encore par lixiviation.
    
2. L’étude de la mitigation/piégeage d’éléments radioactifs, incluant l’efficacité de piégeage des produits radioactifs dans des matériaux dits poreux (zéolites, MOFs etc.), dans le cadre de la mitigation des rejets et le développement de nouveaux matériaux innovants par filtration. Le banc SAFARI permet de conduire ces travaux à l’échelle du laboratoire, le banc DOFIN à l’échelle semi-pilote avec des débits air/vapeur de quelques centaines de kg par heure, et le piégeage de contaminants (particules, gaz) par barbotage dans un volume liquide pour différents régimes d’écoulement gazeux (laminaire jusqu’à jet) grâce au dispositif expérimental TYFON (colonne de barbotage) pouvant être chauffé jusqu’à 80°C. Le colmatage de filtres en solution. La boucle expérimentale COPIN permet également d’étudier la problématique de colmatage de filtre liquide en caractérisant l’évolution de la perte de charges en température avec une eau chargée de débris (conditions APRP).

Caractérisation du comportement de matériaux polymères soumis à des contraintes mécaniques/thermiques et d’irradiation

Les matériaux polymères sont utilisés très généralement dans les installations nucléaires ou colis de transport de matières nucléaires pour garantir le confinement en assurant une étanchéité.
Ces matériaux polymère (joints, câbles électriques …) peuvent se dégrader sous l’effet de contraintes en température et/ou irradiation en altérant leurs propriétés mécaniques (élasticité par exemple). 
Des expérimentations sont mises en œuvre dans des maquettes conçues à façon (pour fixer la géométrie et le taux de compression) pour étudier l’évolution de ces propriétés au cours du temps et de l’évolution du taux de fuite 
En guise d’exemple, le banc ENJOY couplé à une enceinte climatique permet de mesurer des fuites en hélium pour caractériser des pertes d’étanchéité de joints élastomères. 

Caractérisation du comportement de blocs de béton massifs développant des pathologies dites gonflantes

Les pathologies gonflantes pouvant affecter des ouvrages en béton sont principalement de deux types : les Réactions Alcali-Granulat (aussi connues sur l'acronyme RAG) et les Réactions Sulfatiques Internes (RSI). Il faut savoir que ces pathologies se développent à des échelles de temps relativement longues (temps d’incubation), avec ensuite une accélération importante (courbe dite en S).
Ces réactions provoquent des désordres susceptibles d'endommager sévèrement des ouvrages en béton, en créant notamment de la fissuration pouvant altérer le confinement attendu de ces ouvrages.
Les recherches sont menées sur les blocs massifs (1 x 2 x 4) m³ de la plateforme ODE .
Les travaux portent principalement sur :

• le développement des protocoles de vieillissement
• l’instrumentation en ligne (fibres optiques)
• le facteur d’échelle entre petites éprouvettes et blocs massifs
• l’étude des réactions RAG
• l’étude des réactions RSI
• l’étude des Réactions Sulfatiques Externes (RSE)
• l’effet du ferraillage
• le développement de méthodes de contrôle non destructif (CND) par méthodes acoustiques non linéaires

Les données acquises sont partiellement exploitées au sein du consortium CONCRETE et par les équipes de l’IRSN du Laboratoire de Statistique et des Méthodes Avancées (LSMA) et du Laboratoire de modélisation et d’analyse de la performance des structures (LMAPS) pour développer des outils prédictifs de modélisation, ceux-ci étant soit macroscopiques (type mécanique éléments finis) ou plus raffinés à l’échelle locale en couplant chimie-mécanique.

Le laboratoire dispose de deux plateformes expérimentales : CHROMIA et ODE
Les 2 plateformes CHROMIA et ODE sont référencées dans le projet Européen OFFERR (eurOpean platForm For accEssing nucleaR R&d facilities).

CHROMIA (chimie et radiochimie pour l’étude et la mitigation des accidents)

La plateforme CHROMIA dispose d’un panel de moyens analytiques dédiés à l’analyse de surface, la mesure en phases gazeuse et liquide. Parmi ces moyens de mesure, on peut citer ; l’ICP-MS (Inductive Coupled Plasma – Mass Spectrometer), l’ICP-AES (Inductive Coupled Plasma -Atomic Emission Spectrometer), la spectrométrie UV-Visible, la chromatographie ionique, le FTIR (Infra Rouge à Transformée de Fourier), la CPG-MS (Chromatographie Phase Gazeuse) couplée à un spectromètre de masse, la DSC (Differential Scanning Calorimeter), un spectromètre Hélium, des chambres climatiques, pH-métrie …

En complément des essais réalisés à l’échelle du laboratoire (i.e. paillasse, sorbonne), le laboratoire dispose de bancs expérimentaux spécifiques : 
Banc expérimental CHIP et START (réacteurs tubulaires à flux pour la chimie haute température), DOFIN pour des essais de filtration grande échelle, TYFON pour des essais de pool-scrubbing et COPIN pour traiter des problématiques de colmatage d’un filtre en phase liquide.
Il dispose également d’un laboratoire chaud (LEAR) pour réaliser des essais en iode-131 (préparation et analyses d’échantillons) et d’un irradiateur (Epicur) équipé de sources de cobalt 60 pour émettre un rayonnement gamma. La chambre d’irradiation d’un volume d’environ 5 litres peut être chauffée et pressurisée (Tmax~120°C et Pmax~5 bars). 

Plateforme ODE (Observatoire de la durabilité des enceintes)

La plateforme ODE est une plateforme expérimentale extérieure dédiée à l'étude à grande échelle des pathologies de gonflement affectant le béton. La plateforme est constituée d’une dalle béton d’une superficie de 1800 m2 pouvant accueillir jusqu’à une soixantaine de blocs de béton de grandes dimensions (2 x 1 x 4 mètres). elle est dotée de piscines, pour conditionner chimiquement le bloc ou le faire vieillir, et de locaux d’étuvage.

Cette installation constitue la plateforme sur laquelle est mise en œuvre la phase expérimentale du projet ODOBA (Observatoire de la durabilité des ouvrages en béton armé).

Partenaires industriels

• EDF
• ORANO
• NUVIA
• SOMEZ
• CETIM
• CEA

Partenaires académiques

• UCCS UMR 8181, Université de Lille
• LMA UMR 7031, Université Aix-Marseille
• LMDC, Université de Toulouse
• LRGP UMR 7274, Université de Lorraine
• Ecole Centrale Lille
• LCP-A2MC, Université de Lorraine
• IRCER, Université de Limoges
• IUSTI, Université Aix-Marseille

Projets nationaux et internationaux

• Programme CONCRETE 
• Projet ANR Mire (2013-2022)
• Projet OCDE STEM2 (2016-2019), Programme OCDE-STEM (irsn.fr)
• Projet OCDE ESTER (2020-), Nuclear Energy Agency (NEA) - Experiments on Source Term for Delayed Releases (ESTER) Project (oecd-nea.org)
• Projet Européen TeamCables (2018-2022), TeaM Cables H2020 Euratom research project - Home (team-cables.eu)
• Projet Européen SEAKNOT (2022-), SEAKNOT (seaknot-project.eu)
• Projet Européen SASPAM (2022-) (https://www.saspam-sa.eu/)
• Projet international ODOBA (2017-) Projet ODOBA | IRSN 
• Projet international IPRESCA

Laboratoires IRSN partenaires

• Laboratoire de Statistique et des Méthodes Avancées (LSMA) 
• Laboratoire de modélisation et d’analyse de la performance des structures (LMAPS)
• Laboratoire d’étude des transferts de radioéléments (LETR)
• Laboratoire de réalisation d'équipements expérimentaux (LR2E) 
• Laboratoire d’Expérimentations sur le Comportement des Equipements et de la Ventilation (LECEV)
• Bureau d'Expertise de la Sûreté des Transports (BEST) du Service de Sûreté des Transports et des installations du cycle du Combustible - SSTC
• Bureau d'Evaluation de la Conception et du fonctionnement des: Systèmes (BECS) du  Service des SYstèmes et des Risques - SSYR

• Jean Denis, chef du laboratoire
• Fabienne Bot-Robin, ingénieur-chercheur chimie des polymères
• Guillaume Bourbon, technicien mesures physiques
• Kevin Cadenel, technicien exploitation plateforme CHROMIA et ODE
• Florent Friboulet, technicien radiochimiste et exploitation plateforme CHROMIA
• Cédric Gomez, technicien mesures physiques
• Anne-Cécile Grégoire, HDR en chimie, ORCID 0000-0002-3871-782X
• Coralie Le Maout-Avarez, Dr. en chimie
• Gerald Leverne, technicien exploitation plateforme ODE
• Laurent Martinet, technicien chimiste
• Charlotte Moulin, technicienne chimiste
• William le Saux, Dr. en mécanique des fluides
• Marie-Noëlle Ohnet, Dr. en chimie, ORCID 0009-0000-2576-1250
• Cécile Cunin, technicienne radiochimiste
• Calogero Tornabene, technicien chimiste
• Christine Vesin, technicienne matériaux
• Virginie Epting, technicienne radiochimiste et exploitation plateforme CHROMIA
• Menes Badika, Chercheur vieillissement béton

Liste des thèses en cours :

• Klayne Dos Santos (2021-2024), ED 353 Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique, Université Aix-Marseille (AMU), « Transposition à grande échelle d’une méthode de contrôle non destructive ultrasonore des bétons »
• Keymoon M’Toilibou (2023-2026), ED 608 SIMPPé (Sciences et Ingénieries des Molécules, des Produits, des Procédés et de l’énergie), Université de Lorraine, « Etude expérimentale des effets chimiques sur le colmatage d’un filtre en solutions en conditions accidentelles survenant à un réacteur nucléaire »
• Enida Nushi (2023-2026), ED 40 Sciences Chimiques, Université de Bordeaux, « Etude expérimentale de l’interaction entre l’iode gazeux et des gouttelettes atmosphériques : réactivité hétérogène et rôle de l’interface »
• Anais Massaloux (2023-2026), ED 104 SMRE (Sciences de la Matière, du Rayonnement et de l’Environnement), Université de Lille, « Etude expérimentale des interactions entre le ruthénium et les NOx avec prise en compte des effets de surfaces »
• Joao Bouchain (2023-2026), ED 104 SMRE (Sciences de la Matière, du Rayonnement et de l’Environnement), Université de Lille, « Chimie du Chrome dans le circuit primaire en situation d’accident grave d’un coeur ATF – interaction avec le césium »

Liste des thèses récemment soutenues :

• Julie Nguyen Saddasivame, thèse en chimie des matériaux, ED 104 SMRE (Sciences de la Matière, du Rayonnement et de l’Environnement), Université de Lille, « Etude expérimentale de la faisabilité de piégeage des gaz rares par des matériaux poreux innovants », soutenue le 16 novembre 2023
• Elouan Le Fessant, thèse en chimie théorique, physique, analytique, ED 104 SMRE (Sciences de la Matière, du Rayonnement et de l’Environnement), Université de Lille, « Etude expérimentale de la revaporisation de dépôt de produits de fission en cas d'accident grave », soutenue le 6 mars 2023
• Coralie Le Maout, thèse en Génie des procédés, des produits et des molécules, ED 608 SIMPPé (Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie), Université de Lorraine, « Étude expérimentale des effets chimiques sur le colmatage des filtres dans l’industrie nucléaire », soutenue le 19 janvier 2023

• Jean Baptiste Alloko (2023-2024), « Etude expérimentale de la faisabilité de piégeage du césium en solution par des matériaux poreux innovants »
• Thibault Bagnol (2021-2022), « Comportement du ruthénium en milieu nitrique : phénomènes de transfert et dispositifs de piégeage »
• Claire Le Gall (2019-2020), « Mesures de l’efficacité de piégeage de l’iodure de méthyle par des zéolites échangées à l’argent en présence de vapeur d’eau »
• Chiheb Bahrini (2015-2017), « Développement de la mesure de l’iode moléculaire par IBB-CEAS en présence de particules »

• Best Poster Award à la Conférence NENE 2012

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