Étude expérimentale du bullage et de l’aérosolisation lors de la combustion d’un mélange représentatif d’un procédé de retraitement nucléaire (Th RES26-01)

Les incendies impliquant des solvants organiques dans les procédés de retraitement du combustible nucléaire présentent un risque majeur de mise en suspension (MeS) de matières radioactives. Ce phénomène, déterminant pour la définition du terme source, reste encore mal compris, notamment concernant le couplage entre bullage, combustion et MeS. La présence d'une phase aqueuse dans les mélanges biphasiques modifie la cinétique de combustion, influence la formation et l'éclatement des bulles et peut provoquer des phénomènes rapides tels que le boil-over, susceptibles d'amplifier les rejets. Malgré leur importance pour la sûreté, ces mécanismes sont peu documentés expérimentalement et les incertitudes associées à la fraction d'aérosols mise en suspension demeurent importantes.
L'objectif de cette thèse est d'améliorer la compréhension et la quantification de la MeS lors d'un incendie de solvants représentatifs d'un procédé de retraitement par la caractérisation expérimentale des mécanismes physiques impliqués (formation et éclatement de bulles, aérosolisation, boil-over) et leur impact sur la libération de contaminants. Des campagnes expérimentales à petite échelle permettront d'identifier et d'analyser les grandeurs dominantes, puis une transposition à plus grande échelle évaluera leur influence dans des conditions représentatives. Ces travaux fourniront des données originales pour réduire les incertitudes sur le terme source et renforcer la sûreté des installations nucléaires.

La thèse sera centrée sur l'étude expérimentale des mécanismes physiques responsables de la mise en suspension (MeS) de matières radioactives lors d'un incendie impliquant des solvants représentatifs d'un procédé de retraitement du combustible nucléaire. Elle combinera une approche progressive à différentes échelles, des moyens expérimentaux avancés et des collaborations pluridisciplinaires pour répondre aux objectifs scientifiques.

Méthodes et moyens

La première étape consistera en une revue bibliographique approfondie sur les phénomènes de bullage, d'ébullition, de boil-over, ainsi que sur la formation d'aérosols et la dynamique multiphasique lors d'incendies. Cette synthèse permettra d'identifier les grandeurs à enjeux et de définir les conditions expérimentales les plus pertinentes.
La deuxième étape portera sur la mise en place d'essais expérimentaux à petite échelle sur la plateforme de l'ASNR à Saclay. Ces campagnes viseront à caractériser les phénomènes fondamentaux tels que la formation et l'éclatement de bulles, la production de gouttelettes et leur aérosolisation, les transferts thermiques et la survenue d'un boil-over. Des moyens métrologiques seront déployés et validés pour mesurer les paramètres thermiques, physico-chimiques et aérauliques.
Les résultats obtenus permettront d'orienter la troisième étape dédiée à la transposition à plus grande échelle sur la plateforme expérimentale de Cadarache. Ces essais permettront d'étudier les phénomènes dans des conditions plus représentatives des installations industrielles, d'évaluer leur influence sur la fraction mise en suspension (coefficient C1) et de consolider les données nécessaires à la caractérisation du terme source.

Calendrier prévisionnel

Année 1 : Revue bibliographique, prise en main des installations expérimentales, identification des grandeurs à enjeux, définition des protocoles et premiers essais exploratoires à petite échelle.

Année 2 : Réalisation des campagnes expérimentales à petite échelle, analyse approfondie des mécanismes impliqués dans la MeS et le boil-over, développement et validation des moyens métrologiques.

Année 3 : Transposition à grande échelle, exploitation et interprétation des résultats, comparaison avec les résultats à petite échelle, rédaction et valorisation scientifique.

Publications envisagées

La revue bibliographique (bullage et aérosolisation) pourra faire l'objet d'une publication. Les résultats de la thèse feront l'objet de publications dans des revues internationales à comité de lecture. Des communications dans des conférences internationales sont également prévues (IAFSS, EAC).

La thèse se déroulera pour 70% au Laboratoire de physique et de métrologie des aérosols (LPMA) à Saclay et pour 30% au sud de la France au Laboratoire d'expérimentation des feux (LEF)

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.

Le doctorant sera salarié ASNR et réalisera sa thèse pour 70%  au sein du Laboratoire de Physique et de Métrologie des Aérosols (LPMA) à Saclay et pour 30% au Laboratoire d'expérimentation des feux (LEF) à Cadarache.

Le LPMA effectue des recherches, des études et des expertises scientifiques et techniques, à caractère expérimental, concernant les émissions et la caractérisation des aérosols dans les installations nucléaires, en situation normale ou accidentelle. il s’appuie sur la plateforme expérimentale MARIN (Métrologie des Aérosols, Remise en suspension, diagnostics In-situ et Nucléaire) qui est référencée dans le projet Européen OFFERR (eurOpean platForm For accEssing nucleaR R&d facilities). Le LPMA est un acteur historique du développement de la science des aérosols en France en relation avec différents partenaires académiques et industriels. Une synthèse des travaux réalisés et des partenariats entre 1980 et 2001 est présenté dans l’ouvrage History and Reviews of Aerosol Science.

Le LEF mène des études expérimentales dans des installations à grande et petite échelles sur le risque incendie en milieu nucléaire, au sein de la plateforme Galaxie. Une base de connaissance est ainsi développée et concerne la compréhension des mécanismes de l’incendie et des phénomènes qui s’y rattachent comme le développement du feu, la propagation des fumées ou la stratification des gaz au sein d’une installation. Les effets du confinement dans des milieux fortement viciés sont également des thématiques de fort intérêt.

Etudiant.e Bac + 5 titulaire d'un MAster 2 ou Diplôme d'Ingénieur
Mécanique des Fluides, Physique, Thermohydraulique et phénomènes multiphasiques
Génie nucléaire et sûreté