Laboratoire d’étude des transferts de radioéléments (LETR)

L’évaluation de la sûreté des installations nucléaires nécessite d’investiguer en détail le risque de dispersion des contaminants radioactifs hors de l’installation avec une précision et une confiance suffisante en regard des conséquences associées pour l’environnement et les populations. Ainsi les travaux de recherche conduits concernent les situations d’accident présentant des risques associés à de forts enjeux (mesure de protection des populations, conditions d’intervention des opérateurs, etc.). 
Deux types de modèles sont développés : des modèles phénoménologiques permettant de décrire simplement des phénomènes observés par les expérimentations et des modèles mécanistes permettant une description fine des processus physico-chimiques. Ces derniers nécessitent des expériences analytiques et/ou des techniques de modélisation théorique à l’échelle atomique pour déterminer les données thermodynamiques et thermocinétiques. 
Le laboratoire dispose ainsi des compétences : thermodynamique des milieux gazeux et condensés, chimie théorique (approche post-Hartree Fock, théorie cinétique des gaz - état de transition, collision) et physique du solide (modélisation ab initio, dynamique moléculaire) et génie logiciel (ASTEC, NucleaToolBox, MFPR-F). 
Le laboratoire travaille conjointement avec le Laboratoire d'expérimentation environnement et chimie (L2EC) en charge à l’IRSN des études expérimentales des phénomènes et des mécanismes influant sur le transfert des radioéléments à l’environnement.

Principales activités de recherche

1. REP, réacteurs expérimentaux et propulsion navale : développement de modélisation et d’outils permettant l’évaluation du terme source 

• Relâchement de produits de fission avec une approche mécaniste couplant évolution de la microstructure et thermodynamique.

• Transport des produits de fission dans le circuit primaire du réacteur (ou dans des conduits pour les installations du cycle) en tenant compte de la réactivité chimique homogène et hétérogène des gaz et du comportement des aérosols (agglomération, mécanismes de déposition et de remobilisation)

• Chimie de l’iode

Dans l’enceinte de confinement : détermination de la spéciation de l’iode pour l’évaluation du terme source.

Dans l’atmosphère : l’étude des changements de spéciation de l’iode vise à mieux évaluer les conséquences radiologiques d’un accident

2. Aval du cycle du combustible : étude du mécanisme d’emballement thermique dans les red-oils lié à la réactivité non maîtrisée entre des produits organiques et des nitrates et développement de modèles permettant l’évaluation du terme source en cas d’accident de perte de refroidissement des cuves d’entreposage de solutions concentrées de produits de fission

3. Poolscrubbing : étude de la rétention des produits de fission dans un bain liquide 

4. Développement des bases de données thermodynamiques pour le corium et le combustible NUCLEA et Mephista 

5. Intelligence Artificielle (machine learning, réseaux de neurones, réseaux bayésiens)

• Principales orientations à court et moyen terme
  • Combustible Enhanced Accident Tolerant Fuel (E-ATF), MOX (UO2-PuO2) : caractériser le comportement des produits de fission dans des différents types de combustible
  • Rejets liquides : évaluer le comportement des produits de fission en phase liquide pour la gestion long terme d’un accident (rejets liquides, recirculation de l’eau contaminée, épuration de l’eau contaminée)
  • Problématique liée à la sûreté des installations type Advanced Modular Reactor (AMR)

• Projet NEEDS
  • ZINK sur la thermochimie du système In-Zr - problématique de la dégradation de la barre de contrôle
  • projet FEOZ sur la thermochimie du système Fe-O-Zr - problématique IVR (in-vessel retention)

• Projet ANR : BENEFICIA (relâchement des produits de fission depuis un combustible UO2 dopé Chrome (E-ATF)

• Collaboration IRSN - JRC: Modelling of Irradiated Fuel and fission product behaviour; COrium Leaching Tests (RECOLT); Plutonium-Enriched Phase Separation In Corium (PEPSICO); Molybdenum and Caesium behaviour in implanted UO2 and UO2+x

• Projets OCDE
  • FACE (compréhension de l’accident de Fukushima Daichi), Nuclear Energy Agency (NEA) - Fukushima Daiichi Nuclear Power Station Accident Information Collection and Evaluation (FACE) Project (oecd-nea.org)
  • TCOFF2 (projet post Fukushima - bases de données thermodynamiques), Nuclear Energy Agency (NEA) - Thermodynamic Characterisation of Fuel Debris and Fission Products Based on Scenario Analysis of Severe Accident Progression (TCOFF) (oecd-nea.org)
  • ESTER (rejets différés dus à la remobilisation des dépôts et des sources de formation d’iodure organique), Nuclear Energy Agency (NEA) - Experiments on Source Term for Delayed Releases (ESTER) Project (oecd-nea.org)
  • IPRESCA (rétention des produits de fission par les filtres à barbotage)

• Projets européens : SOCRATES, ENDURANCE, MUSA (terminé), R2CA (terminé)

• Programmes de recherche passés structurants
  • PHEBUS PF
  • ISTP
  • STEM
  • STEM2
  • VERCORS
  • VERDON
  • CHIP

• Partenariat industriel : Collaboration quadri-partites EDF, CEA, Framatome, IRSN.

Logiciels développés :

• MFPR-F : outil de recherche générique qui permet de capitaliser les résultats de la recherche visant à décrire les mécanismes à l’échelle mésoscopique régissant l’évolution de la microstructure, le comportement des produits de fission à l’intérieur d’une céramique irradiée (céramiques oxydes, carbures et nitrures d’uranium, etc.) et leur relâchement. 

• Système de logiciels ASTEC : 
  • Module ELSA : module du système de logiciels ASTEC visant à simuler le relâchement des produits de fission depuis le combustible intact et dégradé. La modélisation implantée est de nature phénoménologique et intègre uniquement les phénomènes majeurs conduisant au relâchement (mécanisme de diffusion ou propriété thermochimique).
  • Module SOPHAEROS : module du système de logiciels ASTEC visant à simuler le transport, la physique des aérosols et la chimie en phase gazeuse dans le circuit primaire et l’enceinte de confinement d’un réacteur nucléaire à eau sous pression au cours d’un accident majeur. 

• Base de données thermodynamiques NUCLEA : Développée et maintenue par l’IRSN, cette base permet de déterminer les propriétés thermodynamiques et l'équilibre du système chimique à 19 éléments Ag-Al-B-Ba-C-Ca-Cr-Fe-In-La-Mg-Ni-O-Ru-Si-Sr-U-Pu-Zr. Ces éléments chimiques comprennent tous les composants susceptibles d'interagir en cas d'accident majeur dans une centrale nucléaire, c'est-à-dire les matériaux des barres de combustible (UO2, PuO2, Zr), les structures en acier (Fe, Ni, Cr), les barres de contrôle (B, C, In, Ag), les produits de fission supposés peu volatils (Ru, La, Ba, Sr) qui pourraient potentiellement contribuer à la puissance résiduelle et les composants en béton (Al2O3, CaO, SiO2, MgO). L’ajout des modélisations des produits de fissions Cs, Mo et Ce est en cours.

• NucleaToolBox : outil déterminant l’équilibre thermodynamique d’un système à partir de la base de données NUCLEA. La méthode utilisée consiste à minimiser l'énergie totale de Gibbs du système dans des conditions de pression ou de volume constants. 

• Méthodes et approches théoriques : théories cinétiques des gaz, calculs ab initio (VASP, Gaussian, Quantum expresso), KMC, dynamique moléculaire (LAMMPS), potentiels empiriques (SMTB-Q, SMTB-QB)
   

Laboratoires IRSN :

• Laboratoire d'expérimentation environnement et chimie (L2EC)
• Laboratoire d'étude de la physique du corium (LEPC)
• Service de Sûreté des Transports et des installations du cycle du Combustible – SSTC
• Service de la conduite des réacteurs et des études probabilistes de sûreté - SCEPS
• Laboratoire d’Etude et de Modélisation du Combustible (SEMIA/LEMC)
• Laboratoire de réalisation d'équipements expérimentaux (LR2E)

Partenaires académiques :

PC2A, UCCS, IM2NP, LCE, IUSTI, SYMME, SIMAP, CIRIMAT, ICMMO, IP2I, IJCLAB, LCT

Partenaires industriels :

CEA, EDF, Framatome, ORANO

Partenaires internationaux :

EUROfusion, JRC Karlsruhe, ENEA (Italie), VTT (Finlande), NRA, JAEA (Japon), KINS (Corée), SNL, NRC (États-Unis)

Membre scientifique du SGTE – Scientific Group Thermodata Europe

Association AFTherMat – Association Française de Thermodynamique des Matériaux
Réseau MODMAT – MODélisation des MATériaux
Réseau RCTF – Réseau des Chimistes Théoriciens Francophones
GDR SCINEE – SCIences Nucléaires pour l’Energie et l’Environnement
NEA – Expert Group on Fuel Materials (EGFM)

François Virot, docteur (physico-chimie théorique) chef de laboratoire
Guillaume Astier ingénieur développeur d'outils informatiques scientifiques
Karine Chevalier-Jabet, ingénieure/docteure (Intelligence artificielle, traitement statistique)
Olivia Coindreau, docteure (Sciences des matériaux) https://orcid.org/0000-0002-7670-6742
Caroline Denier, post-doc (2024-2025)
Katia Dieschbourg, ingénieure d’études (domaine combustible)
Roland Ducher, docteur (sciences des matériaux, approches multi-échelles en physique des phases condensées) https://orcid.org/0000-0001-5342-2889
Isabelle Drosik, ingénieure (Référente Qualité de Service)
César Jara Donoso, post-doc (2023-2024)
Matthieu Jobelin, ingénieur développeur d'outils informatiques scientifiques
François Kremer, ingénieur/ docteur (modélisation multi-échelles en physique des phases condensées) 
Catherine Marchetto, ingénieure/docteure (Mécanique et énergétique)
Bénédicte Michel, ingénieure (Science des matériaux, Bases de données thermodynamiques) https://orcid.org/0000-0002-4482-7339
Bruno Piar, ingénieur/docteur (énergétique, physique des fluides et des transferts, physique moléculaire, calcul scientifique)
Théo Roubille, thésard (2021-2024)
Sidi Souvi, docteur (chimie physique et analytique) https://orcid.org/0000-0002-6349-762X

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