Protéger les hommes et l'environnement,
un engagement quotidien

L'IRSN place au cœur de son action quotidienne la protection de l'environnement, des hommes et de leurs biens vis-à-vis des risques engendrés par les rayonnements ionisants.
Cet engagement se traduit d'abord par l'analyse de la source des rejets radioactifs, au sein des installations nucléaires, puis par la recherche et la proposition de solutions innovantes. En amont, l'Institut est activement présent dès les premières phases de conception des futures installations nucléaires tout en conservant la distance nécessaire à une totale indépendance. C'est notamment le cas pour l'installation de fusion nucléaire ITER, dont il est question dans un article de ce numéro.

EXPOSITION au radon dans certaines habitations :
prévenir le RISQUE SANITAIRE

Dans le cadre de sa mission de surveillance de l'exposition de la population aux rayonnements ionisants, l'IRSN étudie depuis de nombreuses années l'exposition au radon, gaz radioactif naturel classé cancérigène. Les travaux concernent, d'une part, les origines et la mesure du radon sur le territoire français, et, d'autre part, les effets de l'exposition à ce gaz. Les résultats obtenus permettent de mieux identifier les principaux paramètres influant sur la concentration de ce gaz, dont la présence constitue un facteur de risque de cancer que les travaux de l'Institut visent à mieux évaluer.

L'IRSN mène de longue date des recherches sur l'exposition au radon^GLO et ses effets sur la santé. L'Institut a réalisé plusieurs campagnes de mesure en France entre 1982 et 2003 pour établir une cartographie nationale de la concentration en radon dans l'habitat, associée à des données sur la construction des maisons, le mode de vie de leurs occupants. Les concentrations de ce gaz radioactif varient sur le territoire entre quelques becquerels par mètre cube (Bq.m^-3) et plusieurs milliers avec une moyenne géométrique nationale de 53 Bq.m^-3. Les mesures recueillies (plus de 10 000 pour l'ensemble de la France) couvrent environ un tiers des communes métropolitaines ; elles ont conduit les pouvoirs publics à définir dès 2004 une liste de 31 départements prioritaires pour la gestion du radon. Afin de préciser les zones les plus concernées, l'Autorité de sûreté nucléaire (ASN) a demandé à l'Institut de compléter ces données par l'étude de la capacité des formations géologiques à générer du radon en surface. L'IRSN a établi en 2010 une cartographie (voir site Internet) du potentiel radon géogénique^GLO de la métropole en cinq classes de potentiel (faible à très élevé).

Les deux cartographies (celle fondée sur les mesures et celle reposant sur l'étude du potentiel des formations géologiques) ont été croisées pour hiérarchiser l'influence des caractéristiques de l'habitat, du potentiel géogénique et des habitudes de vie des habitants afin d'expliquer la variabilité de la concentration en radon : une première à l'échelle du territoire. L'analyse statistique de ces données a montré qu'un modèle prenant en compte le potentiel géogénique, en plus des caractéristiques de l'habitat et du mode de vie des habitants, permet de mieux expliquer la variabilité de la concentration en radon. Les résultats obtenus par ce modèle sont comparables à ceux obtenus en Suisse ou en Angleterre. Le potentiel radon géogénique s'avère être le paramètre prédominant : il influe directement sur la concentration moyenne en radon, à l'échelle locale, ainsi que sur la probabilité de dépasser certains seuils de concentration (par exemple 100 Bq.m^-3, seuil recommandé par l'OMS, ou 400 Bq.m^-3, niveau d'action fixé par la réglementation française pour les lieux ouverts au public). L'ensemble des paramètres d'habitat expliquent, quant à eux, environ 8 % de la variabilité. L'influence respective de chacun a été évaluée : les matériaux de construction, la nature du sol, le type de fondation, de bâtiment et l'année de construction importeraient bien plus que les habitudes de vie (fréquence d'aération, ventilation). Cette conclusion est à nuancer car elle n'est basée que sur les seules données qualitatives recueillies. Les résultats permettent de mieux estimer statistiquement l'exposition au radon dans une région donnée, notamment quand peu de mesures sont disponibles, et de définir les zones où la concentration en radon est susceptible d'être élevée. L'IRSN poursuit ses recherches en étudiant l'influence de facteurs géologiques spécifiques tels que les cavités souterraines, en développant des modèles géostatistiques, ou en modélisant le transport du radon dans les sols et l'habitat.

Le radon ayant été classé cancérigène pulmonaire en 1988 par le Centre international de recherches sur le cancer (Circ), l'IRSN a réalisé des études épidémiologiques, parallèlement aux mesures sur le terrain, pour évaluer son effet sur la santé, notamment pour les mineurs d'uranium qui constituent la population la plus exposée. À partir de la fin des années 1990, le cas des faibles concentrations que l'on trouve en particulier dans l'habitat a été analysé⁽¹⁾. Dans ce but, un projet européen, qui a impliqué neuf pays avec un protocole unique et dont l'IRSN a mené l'étude française, a conclu que l'exposition au radon peut, dans l'habitat aussi, entraîner un cancer des poumons. L'étude européenne révèle ainsi qu'une exposition pendant 25 ans augmente de 16 % le risque par tranche de concentration de radon de 100 Bq.m^-3. Toutefois, des incertitudes importantes subsistent quant à l'impact sanitaire de très faibles concentrations (<200 Bq.m^-3), en raison des lacunes des connaissances scientifiques dans le domaine plus large des effets des faibles doses de rayonnements ionisants. Selon le modèle utilisé, entre 3 et 12 % des décès par cancer du poumon pourraient être attribués à l'exposition au radon dans l'habitat. On estime que 27 % de ces cas attribuables au radon sont associés à des habitats présentant une concentration de plus de 200 Bq.m^-3. Le radon est le deuxième cancérigène après le tabac. La Commission internationale de protection radiologique (CIPR) publiera sous peu des recommandations, auxquelles l'IRSN a contribué, sur la gestion du risque lié à l'exposition au radon dans l'habitat. Parallèlement, une directive européenne (2013/59/Euratom du 5 décembre 2013 sur les normes de base en radioprotection) doit être transposée en droit français pour mettre en place des dispositions de protection dans l'habitat en France à partir d'un certain niveau d'exposition que la directive fixe.

L'IRSN a, par ailleurs, récemment utilisé ce modèle de risque (développé dans le cadre de l'étude épidémiologique européenne) dans le cas exceptionnel d'une maison à Bessines-sur-Gartempe (87). Construite sur des remblais contenant des résidus miniers d'uranium, cette dernière présentait des concentrations de radon comprises entre 8 500 à 18 700 Bq.m^-3. Le modèle a permis d'évaluer le risque de cancer du poumon pour les personnes qui y avaient séjourné.
Les données d'exposition (mesurées ou sous la forme de cartes de potentiel) ainsi que les analyses épidémiologiques et sanitaires évoquées précédemment sont désormais exploitées conjointement dans plusieurs projets. Le projet Geocap⁽²⁾ mené avec l'Inserm doit évaluer l'impact de l'exposition au radon sur d'autres pathologies que le cancer du poumon comme les leucémies infantiles. L'IRSN participe par ailleurs à l'ambitieux projet Elfe⁽³⁾ qui suit sur 20 ans une large cohorte d'enfants ; l'Institut évaluera les risques inhérents à l'exposition au radon en fonction de leur lieu d'habitation.

Géraldine Ielsch geraldine.ielsch@irsn.fr

Bureau d'évaluation des risques liés à la radioactivité naturelle (BRN) de l'IRSN

Dominique Laurier dominique.laurier@irsn.fr

Laboratoire d'épidémiologie des rayonnements ionisants (Lepid) de l'IRSN

⁽¹⁾ Notamment : étude européenne publiée en 2005 ; synthèse comité scientifique des Nations unies les effets rayonnements ionisants (UNscear) en 2006 ; étude de l'Organisation mondiale de la santé (OMS) en 2009 ; Publication 115 de la Commission internationale de protection radiologique (CIPR) de 2010.

⁽²⁾Le projet Geocap étudie le rôle de différentes sources d'expositions environnementales géolocalisées (trafic routier, benzène, lignes à haute tension, PCBs, dioxines, radon, etc.) sur des cancers pédiatriques.

⁽³⁾ Le projet Elfe suit une cohorte de 20 000 enfants nés en France en 2011 jusqu'à 20 ans pour comprendre comment l'environnement affecte leur développement, leur santé et leur socialisation.

• Laurier D. « Progress in understanding radon risk.  » Journal of Radiation Protection; 2013; 168; 65-89.

• Demoury C. et al. « A statistical evaluation of the influence of housing characteristics and geogenic radon potential on indoor radon concentrations in France. » Journal of Environmental Radioactivity 126 (2013) 216-225.

L’un des scénarios d’accidents étudiés pour un réacteur nucléaire est la rupture d’un tube de générateur de vapeur, qui pourrait conduire à un rejet d’iode radioactif dans l’environnement. Quantifier ce rejet et en déterminer la nature permet de mieux se préparer à la gestion de ce type d’accidents.

Les générateurs de vapeur permettent d’extraire la chaleur produite par un réacteur nucléaire. De l’eau non radioactive (circuit secondaire) y transite et se transforme en vapeur⁽¹⁾ au contact d’un grand nombre de tubes où circule sous pression l’eau chauffée par la fission nucléaire dans le cœur (circuit primaire). Si une brèche s’ouvrait sur un tube, l’eau du circuit primaire, qui contient notamment de l’iode radioactif, jaillirait dans le circuit secondaire sous forme d’un jet de vapeur et de fines gouttes d’eau liquide. Une fraction de l’iode pourrait alors être transportée jusque dans l’environnement ⁽²⁾. Pour mieux évaluer ce rejet radioactif, il est nécessaire de connaître sous quelles formes chimiques l’iode arrive à la brèche et de caractériser la structure du jet : la partition de vapeur et de liquide ainsi que la distribution granulométrique des gouttes.

Pendant sa thèse, Adrien Cartonnet a étudié les deux mécanismes contrôlant la distribution granulométrique des gouttes. Le premier est la fragmentation mécanique des gouttes en sortie de brèche, due aux instabilités hydrodynamiques ; le doctorant l’a modélisé par une corrélation empirique. Le second est la fragmentation thermique qui résulte de la croissance explosive des microbulles de vapeur contenues dans les gouttes.
Pour modéliser ce second mécanisme, Adrien Cartonnet a montré que la dépressurisation initiale des gouttes conduit le plus souvent à la formation d’un très grand nombre de microbulles de vapeur (de l’ordre de 10 nm) dans les gouttes. Puis il a établi une équation différentielle en décrivant la croissance de ces microbulles (extension du modèle MRG^GLO). Enfin, il a développé une description théorique originale de l’explosion des gouttes sous la pression des microbulles pour obtenir la distribution en taille des fragments de gouttes.

Disposant ainsi de la surface d’échange entre les gouttes et l’atmosphère environnante, il a calculé la quantité de vapeur produite par évaporation surfacique et l’a ajoutée à la vapeur contenue par les microbulles et libérée par l’éclatement des gouttes ; ceci lui a permis de déterminer le « flashing » ou taux de vaporisation de l’eau issue du circuit primaire. Les résultats ainsi obtenus sont en bon accord avec les données expérimentales publiées dans la littérature.
La répartition des formes de l’iode arrivant à la brèche a été calculée à l’aide d’un modèle de chimie de l’iode en solution dans le circuit primaire. Ceci a permis de réaliser des évaluations plus réalistes des rejets pouvant se produire lors d’accidents de rupture de tubes de générateur de vapeur.

laurent.cantrel@irsn.fr

Laboratoire d’étude du corium et du transfert des radioéléments (LETR) de l’IRSN

⁽¹⁾ La vapeur entraîne une turbine, elle-même reliée à un alternateur qui produit l’électricité.

⁽²⁾ La protection du circuit secondaire imposerait de le dépressuriser, ce qui conduirait à un rejet de vapeur et d’eau à l’extérieur de l’enceinte.

Contribution à l'étude du rejet à l'environnement de l'Iode radioactif lors d'une séquence accidentelle de type RTGV, thèse de Adrien Cartonnet soutenue le 17 décembre 2013 à Cadarache (Bouches-du-Rhône)

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L’IRSN a suivi les études de sûreté de la future installation de fusion ITER dès sa conception. Certains scénarios accidentels envisagés peuvent conduire à une explosion concomitante de l’hydrogène et des poussières dans la chambre à vide. Une thèse a permis de mieux comprendre ce phénomène.

Pendant le fonctionnement normal de l’installation ITER, les parois de la chambre à vide seront progressivement érodées par le plasma, produisant jusqu’à quelques centaines de kilogrammes de poussières de béryllium et de tungstène. Si de la vapeur ou de l’air entrait accidentellement dans la chambre à vide, l’écoulement généré mettrait en suspension les poussières déposées sur les parois. Par ailleurs, l’oxygène apporté par l’air pourrait rendre l’atmosphère inflammable. Ceci pourrait provoquer la combustion explosive des isotopes d’hydrogène (deutérium et tritium) présents et des poussières en suspension, ce qui conduirait à la destruction de la chambre à vide.

Dans le cadre de sa thèse, Jérémy Sabard a contribué à déterminer les limites d’inflammabilité de mélanges constitués d’oxygène, d’azote, d’hydrogène et de poussières. Il a également identifié les modes de combustion pouvant résulter de configurations représentatives des situations accidentelles. Pour ce faire, il a utilisé une enceinte sphérique du laboratoire Icare du CNRS à Orléans, équipée de systèmes de diagnostic permettant de visualiser l’évolution de la flamme et la montée en pression qu’elle génère. Cette enceinte a été munie d’un dispositif d’injection de poussières et d’une mesure de la concentration de poussières par extinction laser.
Il a d’abord déterminé les propriétés d’explosivité (vitesses des flammes, temps de combustion, pressions maximales et indice de déflagration^GLO) de mélanges ayant des fractions molaires en hydrogène comprises entre 0,1 et 0,6 et des rapports molaires N₂/O₂ compris entre 0,66 et 9, valeurs correspondant aux situations accidentelles spécifiques étudiées dans ITER.

Il a ensuite étudié des propriétés d’explosivité de mélanges d’hydrogène et de poussières de tungstène. Il a ainsi montré que l’augmentation de température et de pression résultant de la combustion de l’hydrogène pouvait conduire à l’inflammation des particules de tungstène et donc à l’explosion concomitante de ces poussières. Les travaux de Jérémy Sabard ont permis de constituer une base de données complète et unique au monde sur les modes de combustion des mélanges diphasiques composés d’oxygène, d’azote, d’hydrogène et de poussières de tungstène. À l’aide de ces résultats, de nouveaux modèles d’explosion de poussières ont été élaborés et validés. Implantés dans le logiciel DUST⁽¹⁾, ils permettront d’évaluer les dispositions de sûreté proposées par l’exploitant.

ahmed.bentaib@irsn.fr

Bureau d’études et d’expertises en accident grave et rejets radioactifs de l’IRSN (B2EGR)

⁽¹⁾ Le code DUST est développé par l’IRSN depuis 2007, en collaboration avec l’université polytechnique de Carthagène en Espagne, avec l’objectif de simuler la mobilisation et la combustion des poussières dans ITER.

• Étude de l’explosion de mélanges diphasiques : hydrogène et poussières, thèse soutenue le 6 septembre 2013 à l’Université d’Orléans, école doctorale : énergie, matériaux, sciences de la terre et de l’univers

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• J. Sabard et al. « Determination of explosion combustion parameters of H₂/O₂/N₂ mixtures », International Symposium on Hazard, Prevention and Mitigation of Industrial Explosions (ISHPMIE), juillet 2012, Cracovie, Pologne. Cette présentation a reçu un des cinq prix d’excellence décernés par les organisateurs du congrès.

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• A. Bentaib et al. « Hydrogen explosion in ITER: Effect of nitrogen dilution on flame propagation of H₂ /O₂ /N₂ mixtures », 27th symposium on fusion technology (SOFT), septembre 2012, Liège

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• « Hydrogen explosion in ITER: Effect of oxygen content on flame propagation of H₂ /O₂ /N₂ mixtures », Fusion Engineering and Design, Volume 88, Issue 9-10, October 2013, Pages 2669-2673.

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La perte de l’eau de refroidissement fait partie des accidents étudiés pour les réacteurs nucléaires à eau légère. Une fois l’accident maîtrisé, comment ont évolué les propriétés mécaniques des gaines de combustible, et quelle est alors leur résistance à une manutention ? Une première étape vers la modélisation de cette évolution a été franchie.

Dans un réacteur, une brèche sur le circuit de l’eau de refroidissement⁽¹⁾ a pour conséquence de transformer cette eau en vapeur. Celle-ci oxyde les gaines en Zircaloy^GLO qui contiennent le combustible nucléaire, les fragilisant. La tenue des gaines est alors assurée essentiellement par leur couche interne, non oxydée, dont la structure après l’accident est devenue hétérogène : elle est constituée de micro-inclusions (quelques dizaines de microns) d’une phase cristallographique du zirconium riche en oxygène (nommée alpha) dans une matrice d’une phase pauvre en oxygène (dite ex-bêta). La thèse de Quoc-Tang Vo visait à fournir les données expérimentales nécessaires à la validation de modèles permettant de prédire le comportement mécanique du matériau composite.

Le modèle étudié⁽²⁾ pendant la thèse est basé sur une méthode d’homogénéisation. Il décrit le comportement macroscopique d’un matériau hétérogène à partir de la connaissance des propriétés et de la répartition de ses constituants. Afin de le valider, Quoc-Tang Vo a exploité le modèle dans une approche inverse : les propriétés inconnues de l’un des constituants sont déterminées à partir de celles mesurées pour l’autre constituant et pour l’ensemble. Pour cela, il a mis au point un dispositif expérimental original qui permet des mesures à la fois macroscopiques, à savoir l’allongement global du matériau, et locales (échelle du micron) des déformations. Il est constitué d’une machine de traction, couplée à un microscope optique à longue distance équipé d’une caméra haute résolution. Pendant que des échantillons de gaines sont soumis à des tractions uniaxiales, la caméra capte l’évolution du matériau au niveau de sa microstructure. Les champs de déformations en sont déduits par corrélation d’images numériques (CIN).

Les essais de traction ont été réalisés sur des échantillons de matériau biphasé obtenu en oxydant du Zircaloy-4 à haute température. La micro­structure de ce matériau s’approche de celle d’une gaine de combustible après un APRP⁽¹⁾. Sur la base des propriétés de la matrice⁽³⁾ existant dans la littérature, le module d’Young des inclusions, qui caractérise leur raideur, est évalué avec une incertitude inférieure à 10 %. Le modèle estime donc correctement les propriétés mécaniques d’ensemble.

Ces travaux contribuent au développement des méthodes d’homogénéisation. Celles-ci constituent une voie prometteuse pour affiner la modélisation du comportement des matériaux hétérogènes dans des conditions difficilement accessibles par l’expérience, ce qui est souvent le cas des matériaux du nucléaire notamment en situation accidentelle.

christian.duriez@irsn.fr

Laboratoire d’expérimentation en mécanique et matériaux (LE2M) de l’IRSN

⁽¹⁾ Accident dit accident de perte de réfrigérant primaire (APRP).

⁽²⁾ Mori, T., Tanaka, K. (1973). « Average Stress in the Matrix and Average Elastic Energy of Materials with Misfitting Inclusions ». Acta metall. 21: 571–574.

⁽³⁾ La matrice est similaire au Zircaloy sans oxygène.

Imagerie d'essais mécaniques sur des composites à matrice métallique : contribution expérimentale à la validation de méthodes d'homogénéisation et identification de propriétés mécaniques par phases, thèse soutenue par Quoc-Thang Vo le 18 décembre à Montpellier.

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