Etude du lessivage de produits de fission déposés sous forme d’aérosols sur l’enceinte d’un réacteur en cas d’accident grave (Ref Th RES 26-10)

Dans le cadre d'un accident nucléaire grave entraînant la dispersion de produits de fission radioactifs, il est crucial de pouvoir prédire les quantités de matière radioactive relâchées hors de la centrale. Des produits de fission fortement radiotoxiques sont susceptibles de se redéposer sur les parois de l'enceinte du réacteur sous forme d'aérosols. Ces derniers peuvent ensuite être entraînés par la condensation de la vapeur d'eau sur les parois et jusqu'aux puisards, contribuant à la contamination des eaux.
Cet entraînement reste encore modélisé de façon simplifiée et cette représentation pourrait être affinée avec de nouvelles données et l'élaboration d'un modèle plus mécaniste. Des expérimentations ont été entreprises, avec des approches analytiques sur des aérosols insolubles [Sun 2025], ou des essais plus intégraux impliquant des aérosols solubles ou insolubles [Gupta 2016, Freitag 2019, Weber 2010, Gupta 2015]. Ces travaux ont mis en évidence l'influence de la taille des aérosols solubles ou la nature de l'écoulement (sous forme de ruissellement) pour les aérosols insolubles. Cependant, l'impact des propriétés du condensat, de la surface ont encore été peu investigués. Les propriétés des aérosols ont également été peu étudiées. Enfin, les interactions entre l'écoulement de l'eau et les propriétés intrinsèques des aérosols peuvent encore être éclaircies. Tous ces paramètres pourraient donc être des points à développer dans ce sujet de thèse.

Mission

Plusieurs volets complémentaires dans la thèse :

1- L'étude du condensat et son comportement sur différentes surfaces. Des propriétés de base telles que la tension de surface seront obtenues en faisant varier certains paramètres du condensat (pH, composition chimique). Plusieurs natures de surface, de rugosités différentes seront envisagées. Ce volet sera effectué à l'aide d'un tensiomètre disponible au laboratoire.

2- La génération des aérosols sur différents types de supports. Suivant le caractère soluble ou insoluble de l'aérosol, différentes techniques de génération seront envisagées : les aérosols solubles seront générés avec un nébuliseur, tandis que les insolubles seront broyés/micronisés avant d'être déposés sur le support. Des générations mixtes solubles/insolubles peuvent également être envisagées par vaporisation et redéposition. Les dépôts d'aérosols seront ensuite caractérisés, par MEB/EDX notamment, afin de contrôler leurs propriétés. Plusieurs natures et rugosités de coupons seront envisagées (acier, béton).

3- Le troisième volet porte sur le montage complet du dispositif d'étude de l'entraînement des aérosols. Un réacteur en verre à double paroi, permettant d'y faire circuler un fluide caloporteur pour maintenir un contraste de température entre la paroi du réacteur et celle des coupons chargés dans le dispositif, sera réalisé à façon. Un support à coupon refroidi avec des serpentins à eau pourra être utilisé pour accentuer encore le contraste thermique. Des premiers essais de conception pourront être réalisés en impression 3D au Fablab de Cadarache. De la vapeur sera ensuite injectée avec un générateur de vapeur dans le réacteur pour se condenser préférentiellement sur la surface du coupon refroidi. Une visualisation directe de la condensation sur le coupon sera réalisée en instrumentant le réacteur avec une caméra. Les aérosols entraînés par la condensation pourront être récupérés en base du réacteur avec un système de prélèvement pour effectuer des analyses chimiques et établir des bilans de lessivage. Plusieurs débits de condensation seront étudiés. Finalement, l'étude ainsi proposée permettra la construction d'un premier modèle paramétrique du lessivage des produits de fission.

Références :
[1] M. Freitag et al., Nucl. Sci. and Eng., 193:1-2, (2019), 198-210.
[2] S. Gupta et al., Proc. Of the Int. OECD-NEA/NUGENIA-SARNET Workshop on the Progress in Iodine Behavior for NPP Accident Analysis and Management, Marseille, France, April 1 (2015).
[3] S. Gupta et al., Eurosafe Forum, Germany (2016).
[4] Porcheron et al., Nuclear Engineering and Design, Vol. 240 (2010), pp. 336-343.
[5] Q. Sun et al., Ann. of Nucl. En. 211 (2025) 110903.
[6] G. Weber et al., J. of Eng. for Gas Turbines and Power, Vol. 132 (2010) 112902-1.
[7] F. Wang et al., Ann. Nucl. En. 144 (2020) 107506
[8] F. Wang, Ann. Nucl. En. 153 (2021) 108076

L'Autorité de sûreté nucléaire et de radioprotection est une autorité administrative indépendante créée par la loi du 21 mai 2024 relative à l'organisation de la gouvernance de la sûreté nucléaire et de la radioprotection pour répondre au défi de la relance de la filière nucléaire. Elle assure, au nom de l’État, le contrôle des activités nucléaires civiles en France et remplit des missions d'expertise, de recherche, de formation et d’information des publics.

La thèse se déroulera au sein du Laboratoire d'expérimentation environnement et chimie (L2EC) à Cadarache (Bouches du Rhone) dont les domaines de recherche concernent la chimie des produits de fission en situations accident grave, incluant les aspects transfert et mitigation, et le vieillissement au sens large des matériaux polymères et pathologies gonflantes affectant le béton.
Il est responsable de deux plateformes expérimentales, CHROMIA et ODE, référencées dans le projet Européen OFFERR (eurOpean platForm For accEssing nucleaR R&d facilities).

Vous êtes titulaire d'un diplôme en sciences pour l'ingénieur.
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