Laboratoire d'accueil : Laboratoire expérimentation environnement et chimie (LE2C)

Date de début de la thèse : 05/10/2008

Nom du doctorant : Yathis Giovanni Délicat

Contexte

Dans le cas hypothétique d'accident grave dans un réacteur à eau sous pression (REP), Les Produits de Fission (PF) issus de la dégradation du combustible et des matériaux de structure, sont susceptibles d'être rejetés dans l'atmosphère via l'enceinte de confinement. C'est le cas notamment de l'iode qui est le PF le plus critique pour la population environnante. Pour évaluer les conséquences radiologiques pour l'homme d'un relâchement potentiel d'iode dans l'environnement, l'institut de radioprotection et de sûreté nucléaire (IRSN) dispose d'outils de calculs permettant de simuler l'ensemble du transitoire accidentel. L'une des difficultés majeures dans la mise en oeuvre de ces outils de calculs est le manque de données expérimentales validées relatives à la chimie de l'iode dans le circuit primaire. Les interrogations portent en particulier sur les espèces chimiques de l'iode et la fraction d'iode sous forme gazeuse et aérosol. La cinétique et les réactions prépondérantes qui rentrent en jeu constituent un élément important de réponse. Afin d'obtenir des données nécessaires aux outils de calcul, l'IRSN a lancé Le programme CHIP (Chimie de l'Iode dans le circuit Primaire) en collaboration avec des partenaires intemationaux.

L'objectif principal de la thèse proposée est de mettre au point un réacteur de laboratoire instrumenté permettant la mesure d'espèces chimiques et de la température dans des flammes représentatives de la réactivité de produits de fission émis dans un environnement d'hydrogène et de vapeur d'eau. Il s'agira de valider le dispositif expérimental en étudiant la  cinétique des systèmes réactionnels impliquant L'iode en situation accidentelle dans le circuit primaire suite à la dégradation du coeur du réacteur, c'est-à·dire transporté dans un mélange H2/H2O vapeur. La réactivité d'autres PF, comme Cs et CsOH par exemple, pourrait également être entreprise.

Moyens expérimentaux

Il est proposé d'étudier la réactivité de produits de fission (iode puis éventuellement cadmium et/ou césium (CsOH)) dans des mélanges H2/H2O/Ar/O2 à basse pression en condition de combustion dans des flammes laminaires plates et prémélangées. Le caractère unidimensionnel des flammes plates ainsi que leur étude à basse pression qui conduit à un élargissement de la zone réactionnelle permettent d'établir la structure de la flamme.

Etudier la structure d'une flamme consiste à établir les profils d'évolution de la température (en général 500K < T < 2000K) et de la fraction molaire d'un maximum d'espèces chimiques (réactifs, intermédiaires, produits) présentes dans le milieu réactionnel en fonction de la position dans La flamme.

La température sera mesurée par thermocouple recouvert ou par fluorescence induite par laser. Les profils quantitatifs d'évolution des espèces stables et réactives seront analysées en associant différentes techniques chromatographiques et spectroscopiques.

Le prélèvement des échantillons gazeux par cône/faisceau moléculaire couplé à la spectrometrie de masse permet l'analyse simultanée des espèces stables (molécuLes) et réactives (atomes, radicaux). Le prélèvement des échantillons gazeux par microsonde couplé à l'analyse par chromatographie en phase gazeuse et à la spectrométrie de masse couplé à la spectrométrie d'absorption infrarouge à Transformée de Fourier (IRTF) permet d'accéder aux espèces stables.

Associées avec des techniques de diagnostics laser (Fluorescence Induite par Laser et Cavity Ring Down Spectroscopy par exemple) non perturbatrices du milieu réactionnel, il est possible égaLement d'accéder à des espèces ultra-minoritaires.

Le choix des méthodes d'analyse se fera en fonction du milieu réactionnel à analyser et des priorités de l'IRSN.

Perspectives et apport du projet

Le travail de thèse proposé sera particulièrement novateur car ce type d'étude de flamme n'a pas d'équivalent tant par les conditions de travail (presence de vapeur d'eau) et les éléments à étudier (iode, cadmium, cesium). Pour le doctorant, ce travail de thèse sera très formateur car il met en jeu des techniques expérimentales très variées et complémentaires (tant par la mise en place du système de combustion que par des techniques d'analyses) et comporte une part de modélisation.

Ce travail fera en outre l'objet d'une collaboration avec Le laboratoire du SEREA/LEA pour la mise en place des lignes d'injection (vapeur d'eau, iode, cadmium, cesium) et le choix des techniques d'analyse. Ce travail sera également en lien étroit avec le projet déjà en cours (SEMlC/LETR/PC2A) ; il permettra de confronter les données

expérimentales ainsi générées avec les données cinétiques issues de calculs de chimie théorique.

Le projet sera réalisé en parallèle à des travaux déjà en cours sur la thermocinétique des systèmes X, l, 0, H menés dans un autre Laboratoire du CNRS (SIMaP/Grenoble) dans le cadre du programme CHIP.

Cependant, contrairement aux études par spectrométrie de masse à haute température mises en oeuvre au SIMaP, la technique de combustion mise en oeuvre dans ce nouveau projet permet de travailler dans des conditions de pression plus représentatives de celles qui seraient observées lors d'un accident grave. Ces travaux permettront à terme de

confronter les données expérimentales obtenues par ces deux types de techniques et ainsi générer une base de données expérimentale très complète pour développer des modeles cinétiques et thermodynamique adaptés aux codes de calculs simulant le comportement des PF et de l'iode en particulier lors d'un accident majeur.

Les moyens expérimentaux et de calculs mis en oeuvre dans le cadre de la collaboration IRSN SEREA et SEMIC avec Le CNRS/PC2A ainsi que les compétences développées au sein des deux organismes (réalisation des systèmes expérimentaux, analyses physicochimiquee, modélisation cinétique et thermodynamique) permettront de développer des modèles de réactivité homogène et hétérogene dans une vaste gamme de conditions afin de consolider les évaluations terme source.