Savoir et comprendre
Résumé
Modéliser pour maîtriser les risques
30/07/2012
La simulation est partout.
Elle aide à concevoir les centrales nucléaires, à évaluer leur niveau de sûreté, à approfondir les connaissances sur les rejets dans l’environnement, à estimer les doses reçues et à développer les systèmes associés pour l’évaluation et l’optimisation du risque lié à une exposition aux rayonnements ionisants, quelle que soit la situation rencontrée (travailleurs, patients, accidents…).
À l’IRSN, comme dans tout organisme de recherche et d’expertise, elle est devenue incontournable pour représenter le réel ou imaginer des situations extrêmes, ou très éloignées dans le temps.
En sûreté nucléaire et en radioprotection, le développement de logiciels de calcul – outils informatiques qui intègrent plusieurs modèles pour représenter une réalité complexe – et leur mise en œuvre à des fins de simulation présentent un atout évident : « Accéder à tous les possibles », résume Giovanni Bruna, directeur scientifique de l’Institut. À défaut de le faire en vrai », reproduire un accident de fusion du cœur devient réalisable à l’écran. Tout un univers de capacités nouvelles s’ouvre alors aux experts.
En radioprotection, la simulation élargit aussi les perspectives. « On peut évaluer la dose reçue par les différents organes en cas d’irradiation », illustre Jean-François Bottollier-Depois, expert en dosimétrie externe à l’IRSN. Des dizaines de logiciels scientifiques sont utilisés quotidiennement à l’Institut pour alimenter les expertises et les recherches, que ce soit pour comprendre, prévoir ou concevoir. La plupart sont développés en partenariat avec d’autres organismes, « ce qui permet de partager le travail tout en gardant la connaissance des rouages de l’outil, par exemple les hypothèses sous-jacentes. Seule cette maîtrise parfaite du logiciel de calcul permet une interprétation pertinente des résultats », souligne Giovanni Bruna.
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Pourquoi modéliser ?
1. Comprendre et expliquer Reconstituer ou imaginer un incident : en entrant ses paramètres dans les logiciels de calcul, on accède à un panel d’informations pour comprendre et expliquer les phénomènes. « Le simulateur Sofia de l’IRSN permet de simuler toutes sortes d’incidents et d’accidents pouvant survenir dans le parc nucléaire français. Il contribue à améliorer la compréhension du fonctionnement d’une centrale en situation normale, incidentelle et accidentelle, à la suite d’actions des opérateurs et de diverses sollicitations des systèmes automatiques. C’est un outil puissant de formation des ingénieurs de sûreté », explique Philippe Dufeil, chef de projet de la rénovation du simulateur Sofia à l’IRSN. 2. Prévoir La simulation de situations à risque ou d’accidents permet de prévoir les conséquences et d’anticiper. « Nous pouvons évaluer les doses reçues par les tissus sains en radiothérapie ou calculer la répartition des doses par organe pour le cardiologue qui pratique la radiologie interventionnelle, pour le patient en médecine nucléaire ou en cas de surexposition accidentelle », illustre Jean-François Bottollier-Depois, expert en dosimétrie externe à l’IRSN. « En sûreté, la simulation permet d’évaluer la pertinence des précautions prises par l’exploitant, en particulier en termes de règles d’exploitation et de disponibilité d’équipements de sauvegarde. » 3. Concevoir Simuler les phénomènes permet de définir les protocoles à mettre en place et les expérimentations, complexes et coûteuses. « Icare 2, logiciel détaillé de dégradation du cœur, a orienté les essais du programme Phébus PF qui étudiaient le comportement des produits de fission », indique Richard Gonzalez, spécialiste des logiciels scientifiques à l’IRSN. En radioprotection, la simulation aide à la conception de systèmes d’évaluation de la dose, que ce soit en cas d’incorporation de radionucléides ou d’exposition externe. « Elle contribue à dimensionner correctement des dosimètres au regard des doses et de la nature du rayonnement à mesurer », détaille M. Bottollier-Depois |
De la physique à l’informatique
Développer un logiciel scientifique nécessite de passer par plusieurs étapes. La première : « Modéliser les phénomènes physiques, c’est-à-dire les mettre en équations », décrit Richard Gonzalez, spécialiste des logiciels scientifiques à l’IRSN et initiateur de l’un d’eux (Icare2). Cette première étape relève du travail du physicien, qui s’appuie sur les principes fondamentaux des lois physiques pour donner une représentation mathématique de la réalité aussi complète que possible.
Intervient ensuite le numéricien, ingénieur qui met en œuvre les méthodes de l’analyse numérique et crée les outils de traitement d’un problème scientifique. « Il discrétise l’ensemble des équations dans l’espace et dans le temps. Le phénomène physique, continu dans la réalité, est ainsi calculé en un nombre fini de volumes de l’espace et d’instants : des « cases » spatio-temporelles. Plus elles sont petites, plus la précision est grande, mais plus le temps de calcul est long », explique-t-il.
L’informaticien, lui, traduit ce schéma numérique en langage compréhensible par l’ordinateur, à travers la programmation. « La modélisation procède d’une série de choix sur les hypothèses sous-jacentes, les paramètres et les incertitudes à prendre en compte en fonction du degré de précision souhaité. Ce processus complexe offre une représentation utile, à défaut d’être parfaite, de la réalité », commente Richard Gonzalez.
Faire parler les modèles
La confrontation des résultats du logiciel de calcul avec les données issues de l’expérimentation, de la « vie courante » ou recueillies lors d’incidents, permet de le valider, puis de l’affiner. À l’utilisateur, enfin, de le « faire parler », en simulant les phénomènes qu’il souhaite étudier.
« Les résultats d’un code de calcul sont liés aux hypothèses de modélisation, à la qualité des données d’entrée et aux incertitudes intrinsèques des modèles, souligne Giovanni Bruna. Pour mener leurs études avec un même logiciel, le concepteur et l’IRSN choisiront chacun les valeurs des données d’entrée en fonction des objectifs qui leur sont propres. » Un même logiciel peut ainsi être utilisé par les concepteurs, les exploitants et l’IRSN, tout en respectant le rôle et l’indépendance de chacun.