Laboratoire de physique et de métrologie des aérosols (LPMA)

Le Laboratoire de Physique et de Métrologie des Aérosols (LPMA) est un acteur historique du développement de la science des aérosols en France en relation avec différents partenaires académiques et industriels. L’ouvrage History and Reviews of Aerosol Science^[1] présente une synthèse des travaux réalisés et des partenariats entre 1980 et 2001. Le LPMA effectue des recherches, des études et des expertises scientifiques et techniques, à caractère expérimental, concernant les émissions et la caractérisation des aérosols dans les installations nucléaires, en situation normale ou accidentelle. Il est implanté sur le site de l’IRSN à Saclay (Essonne). Dirigé par François GENSDARMES, il regroupe une équipe de chercheurs, techniciens et doctorants.

[1] https://www.aaar.org/bookstore/history-reviews-of-aerosol-science/

Contexte et thématiques de recherche

Les aérosols constituent, avec les gaz, les deux vecteurs de la pollution de l’atmosphère et de l’air intérieur et sont donc particulièrement étudiés dans de nombreux secteurs industriels (aérospatial, agroalimentaire, médical, pharmaceutique, nanotechnologies, nucléaire, etc.) comme mode de contamination.

Il n’existe pas une unique méthode de mesure des aérosols, mais chaque méthode de mesure doit être adaptée en fonction des paramètres pertinents à caractériser au regard des phénomènes physiques à étudier et des objectifs des travaux de R&D ou des contrôles à mener (étude du transport et du dépôt d’aérosols dans les installations industrielles ou dans l’environnement, contrôle des dispositifs de filtration ou des taux d’empoussièrement des salles propres, étude des performances d’équipements de protection individuelle contre l’amiante ou la contamination radioactive, évaluation de l’exposition du public ou des travailleurs aux particules, contrôle des émissions particulaires des procédés, véhicules…).

A ce titre, le LPMA est chargé :

• d'effectuer des études et des recherches de base, et des études appliquées, sur la physique et la métrologie des aérosols, ainsi que sur la contamination particulaire de l'air par les sources naturelles et les sources anthropiques (formation, mise en suspension, évolution physico-chimique, dépôt sur différentes surfaces, capture par les gouttes);
• d'effectuer des études et des recherches sur la physico-chimie des phénomènes pouvant intervenir en situation accidentelle dans les installations ;
• d'appliquer les résultats obtenus pour définir, étudier et développer les dispositifs de mesure correspondants, notamment les préleveurs atmosphériques ;
• de réaliser des essais de performance de dispositifs de mesure de la contamination radioactive et instruire les demandes d'évaluation d'instruments de radioprotection de type CTHIR.

Le LPMA mène des actions relatives à la production et à la caractérisation d’aérosols (aérosols radioactifs, traceurs non radioactifs, suies, étalons), au développement de méthode pour l’étalonnage et le traitement des données des instruments pour l’analyse des grandeurs mesurées en cohérence avec les grandeurs physiques d’intérêt, en y intégrant les incertitudes associées.

Pour appuyer son expérience de la mesure des aérosols, il est membre du réseau METRIC et animateur du sous-groupe aérosols. Il s’agit d’un réseau collaboratif de métrologie de l’institut, permettant de faciliter le partage de l’information, des pratiques et de l’instrumentation sur la métrologie des aérosols disponibles à l'IRSN. Il renforce les moyens de surveillance de la qualité des résultats obtenus à travers une dynamique d’inter-comparaisons

Axes de recherches 

Pour remplir ses missions, le LPMA maîtrise et développe des compétences expérimentales et théoriques sur :

• les émissions de microgouttelettes et de particules solides à partir de sources liquide ou solide par mécanismes aérauliques, mécaniques, thermique (phénomènes de mise en suspension),
• la physique et la métrologie des aérosols (prélèvement, transport et dépôt des microparticules, nanoparticules et agrégats),
• l'instrumentation en radioprotection (dispositifs de mesure des aérosols et des gaz radioactifs artificiels),
• l'étude en laboratoire des interactions des aérosols avec des gouttes pour des applications environnementales (cas des aérosols atmosphériques avec les hydrométéores de type pluie, neige, cristaux de glace) et pour l'épuration des gaz dans les installations.

Principales thématiques du LPMA :

• La métrologie avec l'étude des facteurs d'influence, l'étalonnage ou l'évaluation des performances des appareillages de prélèvements et de quantification des aérosols radioactifs ou non.
•  La mise en suspension de particules ou microgouttelettes par écoulement d'air ou par chute de matières potentiellement dispersables (poudres, objets contaminés, liquides).
• La mise en suspension de particules lors d'opérations de démantèlement (découpe de métaux par différents outils, écroutage de surface bétonnée, marche d'opérateur).
• La caractérisation des aérosols émis en situation d'incendie et la mise en suspension de contaminants à partir de matériaux soumis au feu,
• Les nanoparticules (caractérisation et métrologie spécifique, transfert et dépôt, confinement et filtration).
• Le Centre Technique d'Homologation de l'Instrumentation de Radioprotection (CTHIR) réalise ou fait réaliser (en interne ou hors IRSN, selon les besoins) des essais en vue de la caractérisation des performances, de l'étalonnage ou de la vérification de la conformité à des exigences normatives ou réglementaires (normes CEI et CENELEC) d'instruments de radioprotection ou de mesure nucléaire.

Etudes proposées :

• Évaluation et caractérisation des dispositifs de mesure de contamination radioactive α, β et γ, homologation de type CTHIR, essais des moniteurs de contamination atmosphérique (accréditation COFRAC 1-1243, portée disponible sur www.cofrac.fr).
• Mesure et caractérisation d'émissions particulaires sur les bancs expérimentaux du laboratoire ou sur le terrain.
• Evaluation des performances d'instruments de mesure des aérosols non radioactifs.
• Evaluation des performances de méthode de mitigation des émissions, notamment par bullage ou aspersion.

Equipe de recherche

François GENSDARMES (chef de laboratoire, ingénieur - chercheur)
Cécile BODIOT (technicienne)
Bernadette DHIEUX (technicienne)
Grégoire DOUGNIAUX (ingénieur - chercheur)
Laure JUHEL-FAUVEL (technicienne)
Yohan LEBLOIS (technicien)
Pascal LEMAITRE (ingénieur - chercheur)
Samuel PEILLON (ingénieur - chercheur)
Emmanuel PORCHERON (adjoint chef de laboratoire, ingénieur - chercheur)
Mamadou SOW (ingénieur - chercheur)
Miroslav VOYTCHEV (ingénieur - chercheur)
Pauline WISZNIOWSKI (technicienne)
Matheus DE MENDOCA ANDRADE (ingénieur-chercheur intérimaire)
Daniel HARDY (doctorant)
Gwenael HOARAU (doctorant)
Amel KORT (doctorante)
Modou MBAYE (doctorant)
Marine SOULARD (ingénieur en apprentissage)
 

Equipement et techniques

La plateforme MARIN (Métrologie des Aérosols, Remise en suspension, diagnostics In-situ et Nucléaire)

Cette plateforme regroupe un ensemble d'installations expérimentales et de moyens de mesure :

• EPICEA : laboratoire d'essai sur les aérosols radioactifs qui permet d'évaluer les moniteurs de contamination atmosphérique en produisant des aérosols radioactifs calibrés, contenant différents radioéléments (césium, plutonium…) ;
• BISE (Banc de mIse en Suspension par Ecoulement) : veine aéraulique dédiée à l'étude de la mise en suspension de contamination par des écoulements d'air turbulents jusqu'à 40 m/s ;
• CEPIA : Chambre d'Etude et de Prélèvement In-situ pour les Aérosols d'un volume de 36 m³ permet d'évaluer les performances de préleveurs d'aérosol, le dépôt et la mise en suspension des particules ;

• DISCO : enceinte de DISpersion de COntaminants permet d'étudier expérimentalement la mise en suspension de particules pour des scénarios de chute ou d'émission accidentelle de contaminant (poudres, objets, liquides...). Son volume allant jusqu'à 40 m³ permet de réaliser des expériences avec une échelle représentative des situations industrielles. DISCO est équipé d'instruments de mesure en temps réel des aérosols émis afin d'en déterminer la concentration, la masse et la granulométrie.

​ Vue intérieure de la chambre expérimentale CEPIA. ©Médiathèque IRSN

​ Vue d’ensemble de l’installation expérimentale DISCO sur le site IRSN de Saclay. ©Médiathèque IRSN.

• TOSQAN : Test platfOrm for Simulation and Qualification in AirborNe conditions. Cette installation permet de reproduire et de caractériser des écoulements multiphasiques représentatifs de différentes situations accidentelles dans les installations nucléaires (réacteur à eau pressurisée, tokamak), de conditions représentatives du démantèlement d'installations nucléaires et de conditions environnementales (rabattement des aérosols atmosphériques par les précipitations).

• ARTEMIS : l'Appareil de dégRadation ThErmique pour la MIse en Suspension permet d'appliquer un flux de chaleur contrôlé sur un matériau et de prélever de façon représentative des échantillons de particules et de suies émises dans les différentes phases de la combustion ;

​ Vue de l’enceinte de l'installation TOSQAN. ©Médiathèque IRSN

​ Essai de dégradation thermique d'un polymère dans le dispositif expérimental ARTEMIS. ©Médiathèque IRSN.

Partenariats et réseau de recherche

Association Française de Vélocimétrie Laser

Congrès Francophone de Technique Laser

Revue Nuclear Engineering and Radiation Science

Conférence ICONE 28

Association française d'études et de recherche sur les aérosols

• • Collaborations internes à l'IRSN
  • PSE-SANTE/SESAN/LRTOX
  • PSE-ENV/SRTE/LRC
  • PSE-ENV/SEREN/LEREN
  • PSE-ENV/SESUC/BMCA
  • PSN-RES/SAM
  • PSN-RES/SA2I
  • Sociétés savantes, congrès, revues :

• Partenaires nationaux
   
  • CEA (Commissariat à l'Energie Atomique et aux énergies alternatives),
  • LRGP (Laboratoire Réactions et Génie des Procédés) – Nancy,
  • CORIA (COmplexe de Recherche Interprofessionnel en Aérothermochimie) – Saint Etienne du Rouvrat,
  • IMFT (Institut de Mécaniques des Fluides de Toulouse) – Toulouse,
  • LaMP (Laboratoire de Météorologie Physique) – Clermont Ferrand,
  • LISA (Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atmosphériques) – Créteil,
  • CERTES (Centre d'Etude et de Recherche en Thermique, Environnement et Systèmes) – Créteil,
  • INRS (Institut National de Recherche et Sécurité),
  • LNE (Laboratoires National de métrologie et d'Essais),
  • ORANO,
  • EDF (Electricité De France),
  • ONERA (Office National d'Etudes et de Recherches Aérospatiales),
  • ONET Technologies,
  • ANDRA (Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs),
  • METEO France,
  • Ecole des Mines de St Etienne,
  • LadHyx : laboratoire d'hydrodynamique de Polytechnique.

Partenaires européens et internationaux

• • Université de Tokyo – Japon,
  • NSC (Nuclear and radiation Safety Center) – Chine,
  • JAEA (Japan Atomic Energy Agency) – Japon,
  • EUFAR (EUropean Facility for Airborne Research),
  • Von Karman Institute for fluid dynamics – Belgique,
  • Université de Bristol – Royaume-Uni,
  • Université de Cleveland – USA,
  • NRA, Autorité de sûreté japonaise,
  • CONICET, Conseil national de la recherche scientifique et technique Argentin.