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Combustible
- Sûreté nucléaire
Modélisation
de l'effondrement d'une colonne de grains immergés
L'IRSN mène des
recherches sur le comportement du combustible en situation accidentelle.
En cas de rupture de la gaine qui le contient, déterminer la quantité de
combustible qui passerait cette première barrière constitue un enjeu de
sûreté. Cela nécessite d'être au plus proche des phénomènes en jeu, comme
cette modélisation avancée d'interaction fluide-grains.
Dans les accidents de réacteur nucléaire de type APRPGLO
ou RIAGLO,
le combustible peut se fragmenter et se présenter sous la forme d'un
empilement dense de grains maintenu dans une gaine. Que deviendrait-il
alors si la gaine venait à se rompre ? Pour répondre à cette
question, une modélisation avancée des mécanismes mis en jeu a été
élaborée par l'IRSN : elle tient compte aussi bien des interactions
entre les particules de combustible fragmenté et le fluide (le réfrigérant
du réacteur) que des interactions mutuelles entre particules.
Contact :
Frédéric Perales (Laboratoire de physique et de thermomécanique des matériaux - LPTM et Laboratoire de micromécanique et intégrité des structures - Mist)  +++ Voir les
vidéos.
+++ Underwater
avalanches go with the flow - Lubricating fluid changes how grains
collapse Science News - 15/11/2012. 
Aérosols -
Ventilation et filtration
Mieux
modéliser le dépôt des suies
Dans le domaine de
l'incendie, les recherches de l'IRSN s'orientent pour les prochaines
années vers les questions de la sectorisation, de la propagation et des
effets induits par l'incendie (fumées, suies). Grâce à un nouveau
dispositif expérimental mis au point pendant sa thèse, Édouard Brugière a
pu mesurer la vitesse de dépôt par thermophorèse d'agrégats de carbone,
pour progresser dans la maîtrise des effets induits par les suies.
Évaluer le risque de perte du confinement des radioéléments en cas
d'incendie dans une installation nucléaire nécessite de prédire quelle
fraction des suies générées va se fixer sur les filtres à très haute
efficacité. Le dépôt des suies risque en effet de conduire au colmatage et
à une possible rupture des filtres. Pour cela il faut connaître la
quantité de suie qui se dépose, notamment par thermophorèseGLO,
à l'amont des filtres, sur les parois de l'installation. Les modèles de
thermophorèse existant à ce jour ont été établis pour des particules
sphériques, or les suies sont surtout constituées d'agrégats de particules
nanométriques. Peu de données fiables permettant de quantifier les
différences de comportement entre une sphère et un agrégat,
É. Brugière s'est attaché durant sa thèse à mettre au point un
dispositif expérimental capable de quantifier la vitesse de dépôt par
thermophorèse d'agrégats et plus particulièrement de suies de carbone
élémentaire.
Ce dispositif, le spectromètre thermophorétique circulaire, est constitué de deux disques parallèles distants de 4 mm entre lesquels est injecté l'aérosol avec un écoulement radial. L'un des disques est chauffé et l'autre refroidi, créant le gradient de température moteur de la thermophorèse. É. Brugière a réalisé différents essais avec des particules sphériques (diamètre compris entre 64 nm et 500 nm) et des agrégats de carbone (diamètre de mobilité électriqueGLO compris entre 30 nm et 600 nm). [ Vitesse et diamètre ] Les résultats ont montré que les vitesses de thermophorèse d'une particule sphérique et d'un agrégat de même diamètre de mobilité peuvent atteindre des écarts de 60 %. De plus, contrairement à ce qui se produit pour les particules sphériques, la vitesse de thermophorèse des agrégats augmente avec leur diamètre de mobilité. Une étude morphologique a montré qu'il existe une corrélation entre la vitesse de thermophorèse et le nombre de particules primaires nanométriques constituant l'agrégat. Ces résultats expérimentaux ont confirmé, pour la première fois, les résultats d'une approche théorique établie en 2006 à l'université d'Auburn (États-Unis d'Amérique). La principale explication de ces observations réside dans la différence de comportement entre un agrégat et une particule sphérique soumis à un gradient de température. Dans l'agrégat, les jonctions entre particules primaires induisent des résistances thermiques supplémentaires qui permettent d'atteindre des écarts de température plus marqués entre ses faces chaudes et froides et augmentent ainsi la force de thermophorèse. Cette thèse confirme la nécessité de modèles spécifiques aux agrégats, qui contribueront à améliorer l'évaluation du maintien du confinement en situation d'incendie.  Complexe de recherche interprofessionnel en
aérothermochimie (Coria - UMR 6614), Université de Rouen.
Contact :
François Gensdarmes (Laboratoire de physique et de métrologie des aérosols - LPMA) 
Confinement
- Modélisation
Vers
la prédiction des taux de fuite des enceintes de confinement
L'IRSN mène des
recherches sur les phénomènes de vieillissement des installations, des
systèmes et équipements. Concernant le génie civil, l'Institut travaille à
établir des indicateurs de résistance dans la durée et à détecter les
pathologies liées au vieillissement. La thèse de Rafik Affes permet de
progresser vers la quantification des pertes de confinement qui peuvent se
produire par des fissurations dues au vieillissement des matériaux.
En vieillissant, les bétons peuvent se fissurer sous l'action des
différentes contraintes environnementales et structurelles auxquelles ils
sont soumis. Ces fissures peuvent engendrer des fuites qu'il est
nécessaire de quantifier dans le cas des enceintes de confinement des
installations nucléaires, ultime barrière à la dispersion des produits
radioactifs dans l'atmosphère. Durant sa thèse, R. Affes a étudié
l'étanchéité des bétons sous l'angle de la micromécanique, en les
considérant comme des matériaux granulaires cimentés poreux.
Dans ces matériaux, les chemins de fissuration sont influencés par les fortes variations microstructurales observables : densité d'agrégats et de pores, distribution granulométrique, adhésion agrégat-matrice, etc. R. Affes a caractérisé finement l'effet de ces variations en trois étapes : une méthode numérique tridimensionnelle (utilisant un réseau de points reliés par des liens élastiques fragiles) a été adoptée pour simuler la fissuration ; cette méthode a ensuite été appliquée à des bétons numériques à microstructures réalistes ; enfin, les différentes configurations de microstructures ont été analysées par des approches statistiques poussées. Cette démarche l'a notamment conduit à proposer un modèle micromécanique de résistance à la traction des bétons. [ Microstructure et morphologie des fissures ] Parmi les cas étudiés, un scénario de fissuration analogue à celui observé dans des bétons réels a été identifié. Son analyse statistique a permis de relier la microstructure du béton et la « tortuosité » des fissures (progression non rectiligne par contournement des agrégats du béton). Une relation tortuosité-microstructure a été établie en exprimant la tortuosité comme une fonction explicite de la densité d'agrégats et de leur distribution granulométrique.
Enfin, la capacité globale d'un réseau de fissures à permettre l'écoulement d'un fluide (perméabilité apparente) a été estimée par une approche numérique de type Lattice-Boltzmann. R. Affes a montré que l'inverse de cette perméabilité est une fonction affine croissante de la tortuosité. Compte tenu de la relation tortuosité-microstructure obtenue précédemment, une corrélation a été établie entre la perméabilité et la microstructure initiale du béton. Ce résultat permet de prédire les taux de fuite d'un béton avec une précision d'environ 20 % sur la base d'une simple micrographie du matériau. Ce dernier résultat doit être confirmé quant à sa sensibilité à l'ouverture des fissures. Laboratoire de mécanique et de génie civil (LMGC UMR
5508) CNRS/Université de Montpellier II via le laboratoire commun
Mist.
Contact :
Yann Monerie (Laboratoire de physique et de thermomécanique des matériaux - LPTM et Laboratoire Micromécanique et intégrité des structures - Mist)
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Aktis
est une publication trimestrielle de l’Institut de radioprotection et de
sûreté nucléaire. Éditeur IRSN - standard : +33 (0)1 58 35 88 88 - http://www.irsn.fr/ - Directeur de la
publication : Jacques Repussard - Directeur de la rédaction : Matthieu
Schuler - Rédactrice en chef : Sandrine Marano - Comité de lecture :
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En cas d'accident nucléaire avec des rejets radioactifs
dans l'atmosphère, deux processus doivent être connus pour anticiper
les conséquences environnementales et sanitaires : la
dispersion atmosphérique des radionucléides (panache) et les dépôts
des particules - ou aérosols. Le premier est assez bien prévu par
les modèles opérationnels utilisés par l'IRSN. Le second l'est un
peu moins, car il fait intervenir des mécanismes nombreux et d'une
grande complexité physique. Pour fournir des réponses rapides en
situation de crise, les modèles opérationnels actuels reposent sur
des hypothèses simplificatrices, raisonnablement majorantes. Dès que
des mécanismes en jeu sont explicités, ces hypothèses sont
réexaminées, et le paramétrage des outils de gestion de crise est
optimisé ou corrigé. C'est un axe de recherche identifié par
l'Institut pour réduire les incertitudes. 
