Aktis signifie « rayon » en grec ancien.

Rayon ou rayonnement, un mot qui s'applique tout autant à la radioactivité qu'à la diffusion de l'information ou à la transmission des connaissances.

Aktis est le nom de la lettre d'information scientifique de l'IRSN, dont vous lisez le premier numéro. Centrée sur l'actualité de la recherche à l'Institut et sur ses résultats, elle se décline selon des rubriques qui mettent en valeur l'articulation de la recherche avec l'expertise, sa pluridisciplinarité et sa dimension collaborative.

L'IRSN, expert public référent en matière d'évaluation des risques radiologiques et nucléaires, se doit de faire une recherche d'excellence, à la croisée des chemins entre recherche fondamentale et développements technologiques. Avec cette lettre, diffusée gratuitement, l'IRSN souhaite mieux faire connaître ses travaux de recherche auprès de la communauté scientifique nationale et internationale.

Pour les travailleurs du cycle du combustible nucléaire, le risque principal de contamination interne par l'uranium résulte d'une exposition par blessure ou par inhalation. L'uranium est un agent cancérigène reconnu en cas de contamination interne sur la base de ses propriétés radiologiques (émetteur alpha) responsables de cassures chromosomiques (effet clastogène). Cependant, les propriétés chimiques de l'uranium, métal lourd, contribuent également à sa génotoxicité en induisant des modifications du nombre de chromosomes (effet aneugène). Pour la première fois, l'étude menée par le Laboratoire de radiotoxicologie expérimentale (LRTOX) a montré que l'importance relative des effets clastogène et aneugène est fonction de la composition isotopique de l'uranium^GLO, ou plus précisément de son enrichissement en isotope 235 par rapport à l'isotope 238. L'isotope 235 est en effet le principal contributeur à la dose radiologique délivrée par l'uranium.

Une méthode pour détecter les dommages causés

Pour mesurer l'impact de la composition isotopique de l'uranium sur le génome, le LRTOX a comparé le profil génotoxique (et tout particulièrement l'importance relative des effets clastogène et aneugène) de l'uranium enrichi à 12 % en ²³⁵U avec celui de l'uranium appauvri à 0,3 % en ²³⁵U. Des cellules fibroblastiques embryonnaires de souris ont été contaminées in vitro avec ces deux types d'uranium à diverses concentrations (5 μM, 50 μM et 500 μM). Les cellules ainsi exposées ont absorbé des doses de rayonnements ionisants comprises entre 0,3 µGy et 761 µGy^GLO. Ces expositions génèrent des micronoyaux⁽¹⁾ et des ponts nucléoplasmiques⁽²⁾, entités nucléaires qui révèlent des aberrations chromosomiques et donc une atteinte de l'ADN. La fréquence d'apparition des ponts nucléoplasmiques caractérise l'effet clastogène induit par les propriétés radiologiques de l'uranium.

L'uranium appauvri a un effet clastogène moins important que l'uranium enrichi

En conclusion, cette étude montre que le profil génotoxique de l'uranium dépend de sa composition isotopique et donc de son activité spécifique^GLO, et que l'uranium appauvri a un effet clastogène moins important que l'uranium enrichi. En revanche, l'uranium appauvri conserve un effet aneugène significatif. L'étude montre par ailleurs que la toxicité chimique de l'uranium contribue effectivement à l'effet aneugène, mais pas à elle seule. L'éventuelle contribution de ces effets aneugènes dans un mécanisme de cancérogenèse reste à démontrer.

L'un des scénarios d'accident envisagés pour évaluer la sûreté d'un réacteur nucléaire est l'accident d'insertion de réactivité, qui se produirait si l'une des barres contrôlant la réactivité du réacteur était éjectée sous la pression du circuit primaire. L'événement provoquerait une hausse très rapide de la puissance pendant un bref instant au voisinage de la barre éjectée. Le combustible verrait alors sa température augmenter brutalement, et, se dilatant, il exercerait une forte pression sur la gaine qui le contient et n'a pas encore eu le temps de s'échauffer. La gaine risquerait, selon ses caractéristiques et son état d'usure, de casser. C'est la première phase dite PCMI (Pellet-Clad Mechanical Interaction) de l'accident.

L'IRSN a mis au point une méthode et des logiciels de calcul capables d'évaluer le risque de rupture des gaines pour différents types de combustibles, grâce à des recherches réalisées dans un cadre international, en particulier avec la Nuclear Regulatory Commission américaine et la Japan Atomic Energy Agency (JAEA).

Les phénomènes impliqués dans la phase PCMI ont d'abord été identifiés et quantifiés grâce à des programmes expérimentaux menés par l'IRSN dans le réacteur Cabri du CEA et par JAEA dans le réacteur japonais Nuclear Safety Research Reactor (NSRR).

Parallèlement, l'IRSN a financé deux programmes expérimentaux au CEA. D'une part, les essais Patricia ont fourni les caractéristiques de l'ébullition transitoire qui se développe dans les conditions d'un tel accident, et permis de quantifier les transferts de chaleur entre les gaines et l'eau de refroidissement du réacteur. D'autre part, les essais Prometra ont permis de constituer une importante base de données sur les comportements mécaniques des gaines et montré l'effet très délétère de l'hydrogène sur leur résistance (voir photo). En interprétant ces essais, l'IRSN a affiné sa compréhension des principaux phénomènes en jeu.

Toutes ces données ont contribué à développer et qualifier Scanair, un logiciel qui simule le comportement thermo-mécanique d'un crayon de combustible lors d'un accident de réactivité. Le logiciel est pleinement opérationnel pour étudier la phase PCMI pour des combustibles UO₂ et MOX et des gainages en Zircaloy 4, Zirlo^TM et M5^TM. Il dispose notamment d'un modèle spécifique permettant de déterminer si un défaut initial peut se propager à travers la gaine et provoquer sa rupture.

Cet outil constitue la base de la méthode utilisée par l'IRSN pour évaluer les limites de rupture des gaines des combustibles utilisés dans les centrales et apprécier la pertinence des critères de sûreté proposés par l'exploitant.

Pour évaluer l'impact des rejets radioactifs contrôlés ou accidentels qu'une installation nucléaire émet ou pourrait émettre dans l'environnement, l'IRSN a développé des modèles de dispersion des contaminants radioactifs dans la biosphère. Ces modèles, comme les modèles existants au niveau international, présentent des incertitudes de calcul allant jusqu'à un facteur 100, notamment dans le cas de dépôt de polluants portés par les aérosols atmosphériques ultrafins, d'un diamètre inférieur à 0,1 µm. En effet, ces particules se comportent alors comme des gaz et obéissent à la diffusion brownienne, difficile à modéliser dans ces conditions. De récentes avancées technologiques ont permis à Pierre Damay, dans le cadre de sa thèse menée au sein du Laboratoire de radioécologie de Cherbourg Octeville, d'affiner la mesure des vitesses de dépôt sec (sans pluie) des aérosols submicroniques sur les surfaces rurales telles que les sols ou les plantes, ce qui permettra, in fine, de réduire les incertitudes. 

Une méthode innovante qui tient compte de la taille des aérosols ainsi que des conditions météorologiques

La vitesse de dépôt des aérosols sur le sol a été mesurée en fonction de la taille des aérosols, des conditions météorologiques et du type de végétation.

Pierre Damay a adapté pour cela la méthode dite de « covariance turbulente », qui permet de calculer la relation entre les fluctuations de la vitesse verticale du vent et celles de la concentration en aérosols. La vitesse du vent à hautes fréquences (1-10Hz) est mesurée grâce à un anémomètre ultrasonique, par l'intermédiaire de trois couples d'émetteurs-récepteurs d'onde ultrasonore. La concentration et la distribution en dimensions des aérosols sont obtenues en temps réel par un outil novateur, associant les propriétés électriques des particules avec leurs propriétés d'impaction à basse pression (Elpi, Dekati).

Une extension possible à d'autres types de polluants

Cette thèse fournit des données pour une meilleure modélisation du comportement des aérosols ultrafins d'origine artificielle dans l'environnement. La méthode développée par Pierre Damay trouvera donc des applications bien au-delà de l'étude de la dispersion des polluants radioactifs, puisqu'elle peut s'appliquer à l'étude du dépôt de n'importe quel type de polluant particulaire rejeté dans l'atmosphère. Ces résultats peuvent intéresser d'autres organismes de recherche, par exemple pour combler les incertitudes des modèles prévisionnels de transport de la pollution atmosphérique.

Épurer l'air est une préoccupation majeure dans l'industrie nucléaire. Pour assurer le confinement de la radioactivité à l'intérieur des bâtiments, les substances radioactives portées par des aérosols sont piégées à l'aide de filtres à très haute efficacité (THE). Or le taux d'humidité ambiant peut varier, notamment en cas d'accident, et modifier les performances (perte de charge^GLO et efficacité) de ces filtres.

Durant sa thèse, soutenue en novembre 2009, Aurélie Joubert a acquis de nombreuses données expérimentales sur ces performances et développé un modèle prédictif simulant l'évolution de la perte de charge des filtres THE plissés durant leur colmatage (phase où les particules s'accumulent sur le filtre en présence d'humidité).

Elle a réalisé ce travail au Laboratoire d'expérimentations en confinement, épuration et ventilation (LECEV) de l'IRSN, en collaboration avec Areva NC et le Laboratoire des sciences du génie chimique (LSGC) de Nancy.

Une nouvelle méthode pour estimer la perte de charge des filtres THE

Ces recherches ont montré que l'humidité de l'air filtré entraîne une diminution de l'efficacité des filtres vierges, mesurée selon la méthode normalisée NFX 44 011, pour des humidités relatives supérieures au point de déliquescence de l'aérosol, mais influence peu leur perte de charge. Par ailleurs, en phase de colmatage, l'action de l'humidité, notamment sur la perte de charge, dépend de plusieurs paramètres : l'hygroscopicité^GLO et la granulométrie de l'aérosol, la géométrie du filtre (plane ou plissées) et le temps d'interaction entre l'aérosol et l'air humide.

En présence d'humidité, la perte de charge du filtre augmente davantage lors de la phase de colmatage qui conduit à une diminution de la surface de filtration (les aérosols s'accumulent préférentiellement sur certaines zones des plis), ou encore lorsque l'aérosol hygroscopique se trouve sous la forme de gouttelettes. A noter que, si l'efficacité du filtre diminue logiquement au cours du colmatage lorsque l'aérosol est liquide, elle reste au-dessus des valeurs requises en sûreté pour les filtres testés.

Ces résultats expérimentaux ont permis à Aurélie Joubert d'élaborer une méthode pour estimer l'évolution de la perte de charge d'un filtre THE. Le modèle mis au point est valable durant le colmatage du filtre par un aérosol solide, en présence d'humidité, dans les cas où aucune réduction de la surface de filtration n'est observée. D'autres essais sont nécessaires pour étendre le domaine de qualification de ce modèle.