Laboratoire d’étude des transferts de radioéléments (LETR)
Le laboratoire d’étude des transferts de radioéléments (LETR) fait partie du Service des accidents graves (SAG) du Pôle de Sûreté des installations et des systèmes nucléaires (PSN-RES). Situé sur le Centre de recherches de Cadarache, dans le sud-est de la France, il est dirigé par Jean Denis.
Contexte
Le LETR a pour mission générale d’améliorer la connaissance dans deux domaines en particulier :
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le comportement des produits radioactifs, et les phénomènes qui s’y attachent, lors d’accidents de réacteurs (réacteurs nucléaires de puissance de génération II, III et IV et réacteur expérimental de fusion Iter) pouvant conduire à des rejets radioactifs dans l’environnement
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les phénomènes susceptibles de dégrader lors d’accidents l’enceinte de confinement des produits radioactifs (notamment pour les réacteurs de puissance, les phénomènes mettant en jeu lors d’accidents de fusion du cœur les mélanges de matériaux fondus dans l’enceinte de confinement).
Les travaux d’études et de recherches menés dans le laboratoire visent notamment à apprécier les mesures existantes ou possibles visant à contenir les matériaux fondus dans l’enceinte de confinement et à limiter les rejets et les conséquences radiologiques en cas d’accident de fusion du cœur survenant sur un réacteur de puissance.
Plus précisément, ces recherches sont déclinées en plusieurs thèmes :
- le comportement des produits de fission (PF) au sein du combustible nucléaire et leur relâchement hors du combustible
- leur comportement lors de leur transport dans les circuits (dépôts, interactions chimiques)
- leur comportement dans l’enceinte de confinement, avec une attention toute particulière au comportement de l’iode et du ruthénium (l’iode et le ruthénium portent l’essentiel des conséquences radiologiques à court et moyen termes en cas de rejets à l’environnement)
- le comportement des matériaux fondus (corium) hors de la cuve du réacteur (interaction entre le corium et le béton de l’enceinte de confinement).
Les ingénieurs et chercheurs du laboratoire développent des compétences reconnues dans les domaines suivants :
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Physico-chimie des produits de fission en phase condensée par des approches multi-échelles (DFT, dynamique moléculaire, Monte Carlo cinétique, approches mésoscales)
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Physique des particules et des aérosols (transport, agglomération, dépôts)
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Radiochimie de l’iode et du ruthénium en phases aqueuse et gazeuse
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Chimie théorique (chimie quantique, dynamique moléculaire)
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Thermohydraulique et transferts de masse et d’énergie, en particulier impliquant des matériaux multiconstituants, multiphasiques, chimiquement réactifs
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Thermodynamique (modélisation, diagrammes de phases, approche Calphad)
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Développement de logiciels de calcul scientifique.
Axes de recherche
La principale activité du laboratoire concerne l’élaboration, l’amélioration et la qualification de modèles physiques et chimiques, à partir de travaux d’interprétation de résultats expérimentaux et d’approches théoriques de modélisation détaillée.
Les résultats expérimentaux sont obtenus pour l’essentiel dans le cadre de programmes de recherche, propres à l'IRSN ou en collaboration avec des partenaires nationaux et étrangers tel que dans Sarnet, réseau d’excellence européen sur les accidents graves.
A ce titre, le LETR a une importante mission de spécification et d’interprétation de programmes expérimentaux. Les approches théoriques de modélisation détaillée sont développées très majoritairement dans le cadre de collaborations avec des laboratoires de recherche académiques français et étrangers.
Le laboratoire réalise l’implantation de ces modèles dans des logiciels de calcul (développement logiciel) et assure leur qualification. Il développe également des bases de données de propriétés thermodynamiques et physiques de matériaux nucléaires. Enfin, il participe aux études menées avec les logiciels de calcul, en support aux évaluations de sûreté.
Au-delà des réacteurs des parcs électronucléaires, le LETR développe aussi des connaissances visant à permettre l’expertise de sûreté d’autres installations nucléaires en exploitation ou encore à l’état de concept. C’est le cas des concepts de réacteurs étudiés pour la future 4e génération (SFR, VHTR, GFR) mais aussi de l’installation expérimentale visant à démontrer l’opérationnalité des réacteurs à fusion, Iter.
Equipements et techniques
Les moyens disponibles au LETR sont :
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Les logiciels de calculs scientifiques développés en propre dans le laboratoire :
- Logiciel de simulation des accidents graves Astec,
- Logiciel de simulation du comportement des produits de fission MFPR
- Logiciel de dynamique moléculaire SPyDERS
Logiciels utilisés :- Logiciel de thermochimie
- Logiciels de DFT
- Logiciels de dynamique moléculaire
- Logiciels de Monte Carlo cinétique
- Logiciels de CFD.
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Des bases de données dans les domaines de compétences cités plus haut :
- fonds bibliographiques
- données expérimentales
Des bases de données des propriétés des matériaux nucléaires (produits de fission et constituants divers) et plus particulièrement pour des températures élevées :
- propriétés physiques
- propriétés thermodynamique et thermochimique
Les chercheurs du laboratoire utilisent des techniques de chimie et de physique théoriques, de thermodynamique et de mécanique des fluides ainsi que des expériences analytiques pour modéliser les mécanismes fondamentaux en jeu dans leur thématique d’intérêt.
Ils s’appuient sur des expériences plus intégrales pour développer et valider des modélisations opérationnelles qui sont intégrées dans le logiciel de simulation des accidents graves et de leurs conséquences Astec. Les données expérimentales analytiques sont obtenues en collaboration avec des partenaires académiques.
Les programmes expérimentaux plus intégraux sont développés en partenariat avec d’autres organismes nationaux et internationaux.
Partenariats et réseaux de recherche
Les recherches avancées sont menées par le LETR en collaboration avec des laboratoires de recherche académiques français et internationaux.
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- Concernant la physique des phases condensées, le LETR pilote le réseau collaboratif Samantha (Simulation by Advanced Mechanistic And THermodynamic Approaches to nuclear fuels) qui, outre l’IRSN, associe :
- A l'international
- IBRAE (Académie des Sciences) de Moscou
- l’Imperial College de Londres, les laboratoires Sandia aux USA
- le Royal Military College au Canada
- l’ITU (Institut des TransUraniens) de Karlsruhe
- le NRG (Nuclear Reseach and Consultancy Group) de Petten aux Pays Bas
- le SCK-CEN de Mol en Belgique
- Au National
- la société Thermodata de Grenoble
Le réseau Samantha a pour but de mettre en commun des ressources dédiées au développement de méthodologies multi échelles pour modéliser le comportement de la microstructure du combustible notamment en lien avec le comportement des produits de fission. Toujours sur le comportement des phases condensées, le laboratoire et le laboratoire LPTM collaborent avec le laboratoire Mateis (Matériaux : Ingénierie et Science) de l’INSA de Lyon sur l’influence des impuretés sur le comportement des aciers sous irradiation.
- Concernant la problématique de la détermination par chimie théorique des différences de comportement des simulants classiquement utilisés pour les caractérisations expérimentales de la revolatilisation du plutonium lors des feux de solvants a conduit le laboratoire à développer :
- Au national
- une collaboration avec le PhLAM, université de Lille 1 (Laboratoire de Physique des Lasers, Atomes et Molécules, UMR CNRS)
- Pour la thématique de la remise en suspension de poussières déposées et en lien avec les risques d’explosion et de contamination, le LETR collabore :- A l'international
- avec l’université de Newcastle au Royaume Uni
- Au National
- l’Ecole Centrale de Lyon
Un membre du laboratoire est professeur invité, auprès de l’Imperial College de Londres, sur l’ensemble des problématiques des accidents de fusion du cœur dans les réacteurs nucléaires.
- A l'international
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Concernant la chimie et la radiochimie de l’iode, la principale collaboration est portée par :
- le laboratoire de recherche commun, appelé C3R pour Combustion, Cinétique Chimique et Réactivité, qui a ainsi été créé en 2010 entre le LETR et le PC2A (Physico-Chimie des Processus de Combustion et de l’Atmosphère) UMR de l’Université de Lille1 et du CNRS.
La recherche menée dans le cadre du C3R se focalise sur le développement de méthodes théoriques et expérimentales avancées de modélisation du comportement de l’iode et du ruthénium dans les conditions des circuits et de l’enceinte de confinement du réacteur.
A travers le C3R, l’IRSN est membre du laboratoire d’excellence CaPPA, créé dans le cadre des investissements d’avenir et contribue aux thématiques de comportement physique et chimique des radionucléides dans l’atmosphère. Sur l’ensemble de ces sujets, le C3R collabore aussi avec l’Université Comenius de Bratislava en Slovaquie.
Concernant l’interprétation des mécanismes d’interaction entre l’iode et les peintures le LETR collabore :- A l'international :
- avec les laboratoires nationaux de Sandia aux USA
Pour la modélisation par chimie théorique des interactions entre les vapeurs et les substrats avec de premières applications sur les interactions entre vapeurs de composés du césium et l’acier du circuit primaire d’un REP, le LETR collabore :
- Au national :
- avec l’UCCS (Unité de Catalyse et de Chimie Solide)
- avec UMR de l’Université de Lille1 et du CNRS
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Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)
- Le LETR participe à des programmes de recherche expérimentaux menés par le CEA dont le programme Vulcano sur l’interaction entre le cœur fondu du réacteur (le corium) et radier en béton de l’enceinte de confinement des réacteurs nucléaires (interaction corium/béton ou ICB) et le programme Verdon mené dans le cadre de l’ISTP sur le relâchement des produits de fission depuis le combustible.
Électricité de France (EDF)
- Le principal partenaire industriel du LETR est EDF pour l’ensemble de la problématique de la modélisation des rejets de radionucléides à l’environnement en cas d’accident dans une installation nucléaire et pour la problématique de l’ICB.
AREVA (Orano)- Un autre partenaire industriel est ORANO avec lequel le LETR collabore sur la problématique du comportement des aérosols de sodium contaminés en cas d’accident dans un réacteur nucléaire rapide à caloriporteur sodium et sur les risques de revolatilisation du plutonium lors du processus de retraitement du combustible.
L'IRSN
- Le laboratoire participe activement, et sur l’ensemble de ces thématiques d’intérêt, au réseau d’excellence européen sur les accidents graves Sarnet que l’IRSN pilote
L'équipe
Équipe de recherche
Marc Barrachin, adjoint au chef du LETR, ingénieur (thermodynamique, approches multi-échelles en physique des phases condensées)
Loïc Bosland, ingénieur (radiochimie et chimie théorique)
Karine Chevalier-Jabet, ingénieure
Frédéric Cousin, ingénieur (comportement des aérosols et chimie atmosphérique)
Jean Denis, chef du LETR
Katia Dieschbourg, ingénieure
Roland Dubourg, ingénieur (approches multi-échelles en physique des phases condensées)
Roland Ducher, ingénieur (approches multi-échelles en physique des phases condensées)
Alexandre Figueiredo, doctorant (2017-2020)
Kasi Gajavalli, doctorant (2015-2018)
Tim Haste, ingénieur
François Kremer, ingénieur
Catherine Marchetto, ingénieure
Bénédicte Michel, ingénieure (thermohydraulique et énergétique)
Bruno Piar, ingénieur
Sidi Souvi, ingénieur
François Virot, chercheur (énergétique/thermo-hydraulique)
Thèses
Thèses en cours :
- Par Alexandre FIGUERIDO : Étude expérimentale de la photoréactivité d’iodo-carbones et de particules iodées