La recherche de l'IRSN vit au rythme propre à la création de connaissances (formulation d'hypothèses, questionnement des certitudes...) avec comme seule ligne d'horizon l'amélioration de la sûreté nucléaire et de la radioprotection. Depuis le 11 mars pourtant des attentes accrues pèsent sur elle. Les événements graves qui ont affecté le Japon ont mobilisé des efforts considérables, sur place mais aussi en France. Mais ce n'est ni dans l'émotion, ni dans des réorientations dictées par l'urgence que les laboratoires de l'Institut joueront pleinement leur rôle. Leur apport réside dans la formulation des questionnements qui sont à la fois des enjeux pour la sûreté ou la radioprotection, et des enjeux pour la progression des connaissances. La force de l'Institut réside en effet dans sa capacité à entretenir un dialogue au long cours entre ses laboratoires de recherche et ses bureaux d'expertises pour identifier ces questionnements à double enjeu et y travailler.

À l'instar des travaux en géosciences illustrés dans ce numéro d'Aktis, la contribution de l'IRSN à la gestion des risques nucléaires et radiologiques a l'ambition de se situer non pas en réaction aux incidents et événements, mais en anticipation : c'est le défi des prochains mois que de revisiter méthodiquement ces questionnements scientifiques.

Les retombées radioactives d'un accident nucléaire peuvent toucher les communes concernées de façon très variable, selon l'importance de la contamination évidemment, mais aussi en fonction de son impact sur l'activité humaine. Chaque commune peut ainsi subir des préjudices d'amplitude et de nature variables sur des enjeux économiques (entreprises, tourisme, foncier, emploi), environnementaux (contamination de la ville, des cultures, de l'eau, etc.) ou sociaux. Or, une fois passée la phase aiguë de l'accident, la gestion du territoire peut être facilitée par un classement des communes en fonction de leur vulnérabilité à la contamination. Cela suppose de définir un indice calculable pour chaque commune et représentant l'ensemble de leurs préjudices. C'est l'objet du projet Prime¹, piloté par l'IRSN.

[ Développement d'une méthode... ]

Pour étudier ce problème, les chercheurs de l'Institut ont choisi d'exploiter le paradigme multicritère qui permet de modéliser le schéma de pensée suivi par un acteur de la gestion de crise pour juger des compromis acceptables entre les différents critères considérés. Dans le cadre de Prime, les critères sont définis par les enjeux des communes. Pour chaque enjeu, le préjudice subi est évalué sur une échelle de 0 à 5. Cela crée une relation d'ordre et donc autant de structures d'ordres que d'enjeux.

L'étape suivante consiste à agréger ces structures d'ordre et à définir un indice de vulnérabilité global pour chaque commune, afin de comparer les communes les unes aux autres et de les classer. La solution choisie est une combinaison de deux méthodes multicritères^GLO d'aide à la décision. Intégrée dans le logiciel développé pour le projet, cette combinaison revient à paramétrer numériquement les logiques et les compromis réalisés par le raisonnement des acteurs du territoire, pour hiérarchiser les communes et leur attribuer une valeur de vulnérabilité.

[ ... appliquée au terrain ]

Cette démarche a été appliquée au cas d'un accident fictif survenant autour du site nucléaire de Tricastin-Pierrelatte (Drôme et Vaucluse). Un groupe de travail a été constitué avec des personnalités locales et des chercheurs pour identifier les enjeux des communes. La définition des enjeux environnementaux a nécessité des calculs d'impact détaillés par l'IRSN. Réalisé sur 18 communes, l'exercice de classement a été concluant.

La démarche participative de Prime a permis de faire émerger un consensus sur la caractérisation de la vulnérabilité du territoire. Le projet a aussi montré qu'en modélisant les logiques opératoires des acteurs, une hiérarchisation commune du territoire était possible malgré leurs perceptions très différentes des enjeux. Ce résultat doit être confirmé par d'autres applications, mais cette méthode apparaît déjà prometteuse, tant par son contenu que par le processus d'interaction qui y conduit.

ASN/Division de Lyon, Préfecture de la Drôme, Ineris, IRSN, Areva NC - site de Pierrelatte, EDF, Écoles des Mines, Université de Paris-Dauphine/Lamsade, Université de Grenoble/UMR Pacte, CLI du Gard, le directeur du Pays “Une autre Provence”, le président du Conseil scientifique du contrat de baie de la rade de Toulon, un exploitant viticole local, un maire.

Quelle est la “spécialité” d'Éric Chojnacki ? Jeter des ponts entre les spécialités. Curieux de tout et de tous, il n'a de cesse de traverser les disciplines, d'élargir son champ de compétences, quitte à se hasarder en terre incertaine. Il estime en effet que pour faire avancer la connaissance, la recherche a intérêt à se montrer plurielle, et partageuse.

Revenons à nos ponts. Lorsqu'il commence sa carrière, cet ingénieur des Ponts et Chaussées veut se consacrer à la R&D dans une grande entreprise : après un bref passage chez EDF puis Areva, il rejoint l'IRSN en 1993. Cet institut multidisciplinaire et tourné vers l'international correspond bien à son désir de ne pas s'enfermer dans un sujet ou un petit groupe.

Il y développe d'abord une méthodologie et un logiciel statistique, Sunset, pour évaluer la qualité des prédictions du code de calcul thermohydraulique Cathare¹. Constitué d'un noyau stable, Sunset peut être assorti d'extensions selon le sujet à traiter. Ouvert et bientôt libre², c'est “un véritable outil de communication, qui permet de travailler avec beaucoup de monde et répond à de nombreux besoins, car il quantifie les incertitudes qui sont partie intégrante des métiers de l'Institut.”

Dialogue et communication sont pour Éric Chojnacki à la fois la racine et le fruit de la recherche scientifique. Lorsqu'en 1998, il se consacre à la modélisation du risque en sûreté et radioprotection (vaste champ d'étude, transversal au sein de l'IRSN), il participe avec Sunset aux travaux d'évaluation de l'incertitude sur les taux de leucémie dans l'environnement des installations de la Hague, au sein du groupe radioécologie Nord-Cotentin, mais aussi à l'analyse d'incertitudes sur les accidents de dimensionnement de réacteurs nucléaires dans le projet Bemuse³ de l'Ocde/CSNI. Nommé expert en analyse d'incertitude et statistique du risque en 2006, il collabore avec de nombreux partenaires, aborde des problématiques diverses, croise des approches multiples dans des projets multipartites et multidisciplinaires tels que Prime⁴, Eccorev Adage⁵. Un tel comportement ne va pas sans une certaine... prise de risque. “Il faut être prêt à entrer dans des sujets que l'on ne connaît pas, ne pas avoir peur de revendiquer des choses à la limite de la légitimité.” Aussi, passe t-il beaucoup de temps à se former, par lui-même.

Il peut ainsi déployer son talent : tisser des liens entre ingénieurs et chercheurs, théorie et pratique : “J'aime faire se chevaucher des domaines différents, pour que les connaissances des uns se nourrissent de celles des autres et que des solutions originales émergent.” N'en ferait-on pas un adage scientifique ?

La surveillance de la radioactivité α dans l'air, en particulier dans l'environnement des installations nucléaires, est effectuée à l'aide de dispositifs de prélèvement d'air équipés de filtres qui captent les aérosols porteurs de la radioactivité présents dans l'air prélevé. L'activité déposée dans ces filtres est alors mesurée par comptage global. Or cette mesure peut être faussée car une partie du rayonnement α est absorbée par la matière du filtre ou par les aérosols accumulés dans le filtre et à sa surface. Pour déterminer numériquement les facteurs correctifs liés à l'atténuation du rayonnement α, Tony Geryes, dans le cadre de sa thèse, a étudié la pénétration des aérosols radioactifs dans ces filtres.

[ Étude expérimentale... ]

Dans un premier temps, Tony Geryes a analysé expérimentalement l'influence, sur la mesure de la radioactivité, des mécanismes de dépôt des aérosols radioactifs dans les filtres. À l'aide du banc d'essais Icare¹, des filtres ont été chargés en aérosols radioactifs dans des conditions représentatives des prélèvements atmosphériques réalisés autour des installations nucléaires. Leur étude a abouti à une base de données de facteurs de correction expérimentaux obtenus en faisant varier les caractéristiques des dépôts. Elle a ainsi permis de définir l'évolution des facteurs de correction en fonction de la pénétration des aérosols, de leurs mécanismes de collecte, du type de filtre et du niveau de la filtration (en profondeur ou en surface). Elle a en particulier confirmé l'augmentation de la valeur du facteur de correction à appliquer à la radioactivité mesurée au fur et à mesure que des aérosols s'accumulent dans le filtre.

[ ... puis numérique ]

Dans un second temps, Tony Geryes a simulé numériquement l'atténuation de la mesure de la radioactivité dans les filtres. Il a tout d'abord reproduit le profil de pénétration des aérosols radioactifs dans un médium filtrant, grâce à GeoDict, un code de dynamique des fluides. Il a ensuite simulé l'atténuation de l'énergie des rayonnements α due à la répartition des aérosols dans le filtre, grâce au code MCNPX^GLO , qui reproduit le transport de ces rayonnements dans le médium à partir du profil de dépôt des aérosols obtenu avec GeoDict. Le couplage de ces deux codes permet ainsi de simuler les spectres en énergie des particules α, tout en reproduisant l'atténuation de l'énergie, et de calculer les facteurs de correction liés à cette dernière.

Cette méthode a été validée en comparant les résultats simulés avec les mesures expérimentales en laboratoire. Afin de pouvoir l'utiliser dans le cadre de la surveillance du territoire, il reste à vérifier si les coefficients ainsi obtenus sont représentatifs de ceux qui seraient obtenus à partir de filtres de terrain. L'étude est en cours.

Laboratoire National Henri Becquerel.

La capacité de confinement du bâtiment abritant un réacteur nucléaire est évaluée en quantifiant les fuites éventuelles de gaz à travers le béton de sa paroi. C'est une évaluation complexe pour laquelle The Dung Nguyen a proposé une modélisation du béton à l'échelle mésoscopique, intermédiaire entre microscopique et macroscopique. Ce modèle permet d'examiner l'apparition, la distribution et l'évolution de fissures dans le béton soumis à des sollicitations mécaniques ou thermiques.

[ Béton numérique ]

À l'aide de la modélisation mésoscopique, The Dung Nguyen représente le béton comme un milieu hétérogène, composé de granulats enchâssés dans une pâte de ciment homogène. Les granulats sont distribués aléatoirement dans l'échantillon de béton à modéliser, en respectant la courbe granulométrique (distribution des granulats selon leur taille). Ils sont représentés par des inclusions circulaires (2 D) ou sphériques (3 D) au sein d'un maillage représentant le volume de béton étudié. Aux points de Gauss¹ du maillage, une méthode dite diffuse associe les propriétés des granulats et de la pâte à leurs positions. Le modèle de béton ainsi constitué a été implanté dans le logiciel de simulation numérique Cast3M, qui utilise la méthode des éléments finis pour résoudre les problèmes de mécanique des structures.

Testé en deux et trois dimensions en simulant de essais de traction et compression uni-axiales d'une éprouvette, le modèle mésoscopique du béton et la stratégie de maillage choisie ont permis de retrouver le comportement mécanique de l'éprouvette à l'échelle macroscopique, et de caractériser la distribution de la fissuration et de l'ouverture des fissures. Cette première validation confirme la capacité de la méthode à simuler le béton à l'échelle mésoscopique et macroscopique.

[ Trois applications ]

Le modèle a montré son efficacité dans trois applications. Dans la première, il a permis de calculer la perméabilité à l'eau d'un béton soumis à des tractions et compressions créant des fissures (essai Bipede²). La seconde a consisté à calculer l'état initial des contraintes, dû à l'hydratation du béton au moment de sa fabrication. Enfin, la troisième application a permis de représenter les effets d'échelle, qui caractérisent la résistance d'une structure en fonction de sa taille. Comparés aux données expérimentales, les résultats sont très satisfaisants. L'ensemble de ces tests ont montré l'intérêt de l'approche mésoscopique, surtout en 3D. Il reste des améliorations à apporter, notamment en optimisant la représentation de la taille des granulats, et en intégrant les paramètres non linéaires tels que la plasticité et le fluage.

Laboratoire Lasagec de l'Université de Pau-Pays de l'Adour.