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 : Arnaud Querel
Introduction
Les études portant sur les dépôts d'aérosols liés aux essais atmosphériques d'armes nucléaires ou à l'accident de Tchernobyl ont montré que ces dépôts étaient fortement dépendants des épisodes météo-climatiques. Ainsi, le dépôt par voie humide résulte principalement du phénomène de lessivage de l'atmosphère par la pluie. A ce titre, l'intensité du dépôt dépend notamment des caractéristiques des gouttes de pluie (taille, densité de gouttes) mais aussi des caractéristiques des aérosols présents dans l'atmosphère (taille, hygroscopicité, morphologie, charge électrique). De plus, des paramètres liés au transport atmosphérique (phénomène de méso-échelle et intensité turbulente) ou au phénomène de capture hydrodynamique arrière peuvent influencer la dynamique du rabattement des aérosols par la pluie. A ce jour, la modélisation du rabattement des aérosols est basée sur l'utilisation de corrélations permettant de calculer les efficacités de collecte élémentaires relatives aux différents mécanismes de piégeage (effets mécaniques, phorétiques et électrostatiques).
Des études précédentes menées au Serac dans le cadre des accidents graves ont montré une bonne concordance entre la modélisation et l'expérience pour des essais de rabattement d'aérosols dès lors que les caractéristiques des aérosols et des gouttes sont parfaitement connues. Ces corrélations ont été établies et validées sur des expériences analytiques en laboratoire. En revanche, de nombreuses études traitant de l'aspect naturaliste montrent une forte divergence entre les taux de rabattement mesurés dans l'environnement et ceux obtenus à l'aide de la modélisation (la modélisation sous-estimant le taux de rabattement d'un facteur allant de un à trois ordres de grandeur). Hormis l'aspect lié au lavage interne au nuage non abordé ici, cette divergence peut avoir différentes causes comme la non prise en compte de l'hygroscopicité et de la morphologie des particules mais aussi la mauvaise estimation de la distribution granulométrique des gouttes de pluie actuellement déduite de corrélations basées sur l'intensité de la pluie intégrée sur une durée importante. Or, l'évaluation correcte des conséquences des rejets des effluents gazeux radioactifs en situation normale de fonctionnement et en situations accidentelles est important pour l'évaluation de la sûreté des installations nucléaires et pour la gestion de crise. En conséquence, la DEI et la DSU ont engagé un programme de recherche commun sur le rabattement des aérosols atmosphériques par les précipitations. Ce programme vise à déterminer, à partir d'essais semi analytiques réalisés dans l'installation TOSQAN, des lois phénoménologiques décrivant le rabattement d'aérosols dont les caractéristiques sont bien contrôlées, par des gouttes d'eau représentatives de différents types de précipitation (averse, pluie, bruine). Ce programme de recherche doit également être alimenté par la réalisation d'expérimentations analytiques permettant la quantification des paramètres d'influence, travail qui constitue la présente proposition de thèse.
Objectif de la thèse
L'objectif de la thèse est donc de quantifier l'influence des phénomènes physiques qui interagissent avec les mécanismes de collecte, dans les conditions particulières du rabattement des aérosols atmosphériques, afin d'identifier les origines des divergences observées lors des confrontations entre les résultats issus d'expérimentations et de modélisations. Pour ce faire, il est proposé de réaliser des expérimentations à l'échelle du laboratoire permettant de simuler des conditions environnementales simplifiées mais bien caractérisées par la mise en oeuvre d'un niveau d'instrumentation élevé.
L'exploitation de ces expériences devra ainsi permettre de quantifier et de hiérarchiser les paramètres importants qui aujourd'hui ne seraient pas ou mal pris en compte dans la modélisation, afin, à terme, de proposer une amélioration des modèles de rabattement des aérosols dans l'atmosphère.
Moyens mis en oeuvre pour la thèse
Sur le plan expérimental, le Serac possède plusieurs bancs expérimentaux à différentes échelles qui permettent de reproduire et de caractériser des écoulements multiphasiques composés d'air, de gouttelettes d'eau et d'aérosols. Du point de vue de l'instrumentation disponible, de nombreux moyens métrologiques existent au sein du laboratoire. Ils permettent la caractérisation locale en temps réel de l'écoulement gazeux, des gouttelettes d'eau représentatives de différents types de précipitations, et des aérosols. Le niveau de mesure ainsi atteint est a priori très supérieur au niveau de raffinement des modèles actuels de lessivage.