Laboratoire d'accueil: Laboratoire d'étude des transferts de contamination, de l'épuration et de la ventilation (Lecev)

Date de début de thèse: 01/10/2009

Nom du doctorant: Vincent Cesard

Contexte général et objectifs des travaux

A l'heure actuelle, le développement des nanotechnologies fait émerger de nouvelles problématiques sur la maîtrise des risques en matière de santé et d'environnement. Par ailleurs, d'autres secteurs industriels, tels que le nucléaire, mettent en oeuvre des procédés de découpe ou d'ablation par laser comme procédé physique lors d'opérations de démantèlement ou d'assainissement d'une installation nucléaire, procédés à l'origine de la formation de nanoparticules. Quel que soit le secteur industriel, la gestion des risques rend incontournable la maîtrise d'une part de la métrologie des nanoparticules, notamment sous forme d'aérosol, d'autre part de la caractérisation des termes sources émis et des techniques de confinement permettant d'assurer la protection des opérateurs. Les travaux proposés s'inscrivent dans cette dernière thématique et plus particulièrement dans le cadre des techniques de confinement dynamique mises en jeu au niveau du poste de travail d'un opérateur.
Rappelons que le principe de confinement dynamique permettant de garantir la sécurité d'un opérateur à son poste (sorbonnes de laboratoire, dispositifs de captage,... ) contre l'inhalation de toutes substances nocives, consiste en la création d'un écoulement d'air à l'ouverture du dispositif, lequel doit être assuré par une vitesse d'air suffisante pour maintenir tout aérocontaminant de quelle que nature qu'il soit, gazeux ou particulaire de différentes tailles, à l'intérieur même de ce dispositif. Il convient de quantifier les performances de confinement atteintes par ces types de dispositifs par la connaissance de l'efficacité de captage ou des coefficients de rétrodiffusion des polluants émis.

Plusieurs études analytiques ont déjà été menées à l'IRSN et à l'INRS sur l'efficacité de confinement dynamique de différents dispositifs; citons notamment l'étude de l'efficacité de confinement de sorbonnes de laboratoire ou des postes de sécurité microbiologiques ou chimiques.
Ces divers travaux ont permis de dégager plusieurs enseignements quant à la validité des critères de confinement décrits dans les normes et quant aux performances de confinement de ce type d'enceinte pour des aérocontaminants de différentes natures.
Ainsi, parmi les nombreux paramètres testés, outre le critère principal de vitesse d'air induite à l'ouverture, on montre que les paramètres géométriques (dimensions et formes de l'ouverture), ou dépendant de la nature de l'aérocontaminant (gaz, aérosol) et des conditions environnantes (présence d'un opérateur dans l'ouverture, procédé induisant des perturbations mécaniques ou thermiques, ... ) agissent sur l'efficacité du confinement dynamique mis en oeuvre aux ouvertures et donc influencent l'amplitude des coefficients de rétrodiffusion détectés à l'extérieur des dispositifs.

Néanmoins il est souvent supposé que les techniques classiques de ventilation et de captage développées dans le cas de polluants gazeux ou des aérosols microniques de faibles diamètres sont applicables pour les nanoparticules. L'argument étant qu'un nuage de polluant est transporté par l'air de manière similaire qu'il soir constitué d'un gaz ou de nanoparticules. L'argument présente au moins deux faiblesses:
une différence de comportement du nuage au voisinage des parois avec des phénomènes de dépôt et de contamination des surfaces importants pour les nanoparticules et non pour les gaz;
un niveau de protection requis plus important pour des nanoparticules que pour des particules microniques ; la concentration massique n'étant sans doute plus le paramètre pertinent pour évaluer le risque;

La compréhension des mécanismes de transfert des nanoparticules au travers d'une barrière de confinement dynamique reste donc à approfondir, compte tenu des spécificités physiques de ces particules qui peuvent se trouver, non seulement sous forme individuelle, mais aussi groupées en agglomérats ou agrégats, dont une dimension caractéristique est inférieure à 100 nm. Un nouveau programme de recherche est donc envisagé pour permettre de quantifier les performances d'une barrière de confinement dynamique vis à vis du transfert de nanoparticules.
Les propriétés intrinsèques de l'aérosol nanométrique émis à la source, notamment ses mécanismes de dépôt sur des obstacles de différentes natures lorsqu'il est dispersé dans un flux d'air doivent faire l'objet d'une étude approfondie, pour une gamme dimensionnelle des particules initiales s'étendant de quelques nanomètres jusqu'à quelques centaines de nanomètres.

Déroulement des travaux et moyens mis en oeuvre

Les principales étapes envisagées dans le cadre de la thèse sont les suivantes:

• étude bibliographique sur les propriétés physico-chimiques des nanoparticules et réalisation d'un état de l'art en matière de confinement dynamique des nanoparticules ;
• définition d'une grille d'essais et réalisation des expériences analytiques sur un dispositif élémentaire du type "enceinte ventilée" à géométrie d'ouverture variable, permettant d'étudier l'influence des principaux paramètres relatifs au dispositif, aux écoulements d'air induits à son ouverture, aux caractéristiques physiques de l'aérosol, sur l'efficacité de confinement dynamique:

1. Paramètres dimensionnels du dispositif : géométrie (bords profilés) et surface de l'ouverture,nature des parois.
2. Paramètres liées aux écoulements d'air : profil de vitesse à l'ouverture, en proche parois et à l'intérieur du dispositif,présence d'un gradient de température à l'intérieur de l'enceinte,conditions environnantes (présence de courants d'air, présence d'obstacles).
3. Paramètres liées aux caractéristiques de l'aérosol et à son émission : morphologie, dimension, état de charge électrique, procédé d'émission.

• Détermination de la méthode expérimentale d'évaluation du confinement:

1. Métrique adoptée pour le confinement,
2. Méthode de mesure (travail en salle propre ou identification des particules traversant la barrière dynamique) ;

• Robustesse du confinement par rapport aux perturbations environnantes;
• Lien entre performances aérauliques du dispositif et confinement;
• Mise en oeuvre d'un outil de calcul de mécanique des fluides pour l'aide à l'interprétation des résultats expérimentaux.

Moyens mis en oeuvre

Les expériences analytiques seront effectuées sur un dispositif de type sorbonne de laboratoire, implanté dans un laboratoire à empoussièrement contrôlé qui doit permettre de détecter toute particule nanométrique soumise au phénomène de rétrodiffusion. La maquette sera instrumentée par les techniques de vélocimétrie laser (LDA, PlV) afin de caractériser les profils de vitesse, notamment en proche paroi.
En amont de la réalisation des expériences, une réflexion devra être menée sur les systèmes de production et de détection spécifiques d'aérosols nanométriques.

Par ailleurs, sera mise en oeuvre l'approche numérique de résolution la plus adaptée (RANS, LES, ...) parmi celles disponibles dans les codes multidimensionnels de mécanique des fluides (FLUENT, CFX).
Les travaux de thèse seront principalement réalisés sur le site de l'INRS à Vandoeuvre.