Thèse Méthodologie Innovante pour l'Étude de la Cinétique de Dépôt d'Aérosols Lors de Scénarios d'Incendie d'Intérêt H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences Laboratoire de recherche : ESTACA'Lab Direction de la thèse : Benoit SAGOT ORCID 0000000189579503 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-30T23:59:59 L'objectif de cette thèse est d'approfondir la compréhension de la dynamique du dépôt d'aérosols sur les parois en situation d'incendie et de finaliser le développement d'un système innovant de quantification en temps réel du dépôt de particules à différentes échelles. L'intérêt sera, in fine, de disposer d'une métrologie pouvant être transposable à divers scénarios d'incendie nécessitant la quantification d'un dépôt pariétal comme dans le cas de l'établissement d'un lien entre les quantités de suies déposées sur des dispositifs électriques et leur dysfonctionnement. Pour cela, une approche théorique fondée sur l'établissement d'un modèle phénoménologique de la formation du dépôt sur le capteur résistif sera développée pour des aérosols représentatifs de situations d'incendie. Ce modèle sera corroboré par une technique originale d'analyse d'images, afin d'étudier à échelle locale la formation des microstructures des particules sur la surface sensible du capteur résistif, composant principal du dispositif de quantification, dans des conditions d'incendie réalistes. Une fois ces développements validés à différentes échelles, le système permettra de générer des données dynamiques inédites lors d'essais à grande échelle, en conditions représentatives, pour différents aérosols issus de la dégradation thermique de divers combustibles. Ces données offriront une meilleure compréhension de la phase transitoire du dépôt et contribueront ainsi à la quantification des quantités d'aérosols responsables du dysfonctionnement électrique et l'amélioration des modèles de simulation des incendies.
D'autre part, il est prévu d'associer à la méthode de quantification décrite précédemment une méthode de prélèvement de particules a posteriori par aspiration sur filtre. Cette méthode permettra d'obtenir une référence de masse déposée à la fin de l'incendie, permettant ainsi une comparaison avec les masses obtenues avec la méthode de quantification temporelle.
Pour ce faire, différents types d'aérosols représentatifs de ceux produits lors de scénarios d'incendie d'intérêt seront mis en oeuvre et caractérisés électriquement et physico-chimiquement. Par ailleurs, les tests d'intégration se feront à 3 échelles : échelle analytique (installation PARIS « Production d'Aérosols Représentatifs d'un Incendie Sous-ventilé » de la plateforme MARIN), puis moyenne échelle (installation BANCO « Banc de colmatage » de la plateforme BOREE) pour un premier niveau d'intégration à une échelle intermédiaire, et enfin grande échelle (installation PLUTON de la plateforme GALAXIE, installation expérimentale mono-local permettant l'étude des feux en milieu confiné et ventilé mécaniquement) pour les tests finaux d'intégration.
L'incendie dans les installations nucléaires de base (INB) représente l'un des risques majeurs dont les principales conséquences en termes d'aérodispersion de polluants sont la mise en suspension de particules radioactives, susceptibles d'être rejetées à l'environnement, et la production de particules de suie, participant à la dégradation des systèmes de ventilation garant du maintien du confinement (en raison du colmatage des filtres à très haute efficacité) et pouvant également affecter les équipements importants pour la sûreté, notamment électriques.
Afin d'estimer au mieux les conséquences d'un tel accident, il s'avère nécessaire d'évaluer les fractions d'aérosols déposées dans l'ensemble de l'installation, en premier lieu au sein du local siège de l'incendie (problématique portée actuellement dans le cadre du PIC Feux avec Orano (March et al., 2021)) mais également sur les équipements électriques pouvant dysfonctionner (problématique portée dans l'accord de collaboration à venir entre l'ASNR et EDF R&D sur l'étude de l'incendie, de la ventilation et de l'aérocontamination).
A cette fin, des modèles CFD de transport et de dépôt d'aérosols ont été développés par l'ASNR (Nerisson et al., 2011) et ont été introduits dans le logiciel CALIF3S traitant du développement d'un incendie. Certains mécanismes de dépôt d'aérosols dans un local (diffusion brownienne, sédimentation, impaction et thermophorèse) sont également pris en compte dans le code à zones SYLVIA, développé lui aussi par l'ASNR. Toutefois, à ce jour, ces modèles 0D et CFD n'intègrent pas les spécificités morphologiques et physico-chimiques des aérosols émis lors d'un incendie. En effet, les modèles de dépôt disponibles dans la littérature reposent sur des hypothèses simplificatrices tant sur les caractéristiques de l'aérosol que sur la nature des surfaces de dépôt et des conditions aérauliques et thermodynamiques du local considéré. Or, dans le cas d'un incendie, la nature des aérosols émis (granulométrie, morphologie, composition chimique) s'avère très dépendante du type de combustible mis en jeu et des conditions d'incendie (échelle, niveaux de ventilation et de confinement) (Lintis, 2018), et ces caractéristiques évoluent temporellement au cours du développement de l'incendie.
Au-delà de ces limitations théoriques, les modèles de dépôt implémentés dans les logiciels CALIF3S et SYLVIA souffrent d'un manque de validation en situation d'incendie, en raison de l'absence de données expérimentales fiables sur le dépôt des particules au sein d'un local en feu. Il s'avère donc nécessaire de développer des outils métrologiques adaptés à la quantification de la fraction d'aérosols déposée. Deux types de quantification peuvent être mis en oeuvre, l'un basé sur des prélèvements in-situ (par aspiration) après l'incendie puis sur des analyses ex-situ des quantités déposées (mesure intégrée), l'autre sur des mesures en temps réel permettant de mieux appréhender la dynamique du dépôt et ainsi valider plus finement le caractère prédictif des modèles . Depuis de nombreuses années, le développement des méthodes en temps réel a été un axe important de recherche en métrologie des aérosols. Ces méthodes permettent aujourd'hui d'acquérir des données sur les concentrations massiques et numériques en utilisant les propriétés aérodynamiques, électriques ou optiques des aérosols. Cependant, il n'existe pas, à notre connaissance, de dispositifs de quantification temporelle du dépôt sur une surface exposée à un flux de particules.
Les recherches entreprises depuis plusieurs années à l'ASNR sur ce type de mesure se sont portées sur la technologie des capteurs résistifs initialement développés pour les émissions automobiles (Grondin et al., 2016; Oh et al., 2022). En effet, un capteur résistif présente une faible épaisseur de substrat, limitant les perturbations de l'écoulement pariétal, et est régénérable à la température d'oxydation des suies entre 600°C et 700°C (Ebel et al., 2020). Cependant, le principe physique de ce capteur repose sur la modification de la conductance électrique suite au dépôt des suies. De plus, le capteur résistif est sensible à divers paramètres (tension de polarisation, taille, morphologie, propriétés physico-chimiques et conductivité électrique des suies, position dans l'écoulement...). En dépit de ces limitations, une qualification au laboratoire de ce capteur a pu être réalisée lors des travaux de thèse d'Amel KORT (A. Kort, 2021). Ces travaux ont permis d'étalonner le capteur pour des suies de référence ainsi que pour des suies issues de la combustion de solvant industriel. Pour ce dernier cas, une saturation rapide du capteur a été observée au regard de la durée d'un incendie. Par conséquent, une régénération régulière du capteur résistif est nécessaire pour suivre l'intégralité d'un incendie (Kort et al., 2021). Par ailleurs, dans un souci de complémentarité des données, et profitant de la phase de régénération du capteur résistif, une deuxième méthode a été introduite. Cette dernière est basée sur la mesure du CO2 émis par la combustion des suies déposées lors de la phase de régénération du capteur (Kort et al., 2022), à condition que les suies produites lors des incendies soit constituées majoritairement de carbone.
Une mise au point technologique de cette méthode de quantification par mesure du CO2 émis (Kort et al., 2022) a été réalisée dans le cadre d'un contrat d'alternance (2022 - 2025). Le système d'échantillonnage développé permet d'avoir une mesure en ligne. Il consiste à positionner le capteur résistif en surface de paroi sans modifier l'écoulement des suies à son voisinage pendant le dépôt, puis à l'isoler dans une cellule de mesure pour quantifier le CO2 issu de la régénération des suies déposées sur la face sensible du capteur résistif avec un capteur NDIR de CO2. Ce dispositif peut être positionné à divers endroits, notamment au voisinage d'équipements électriques et d'autres équipements de sûreté. Ce nouveau système de quantification dynamique doit toutefois monter en TRL et être qualifié à moyenne échelle, avant d'être déployé lors de futurs essais intégraux. De plus, des comportements encore inexpliqués à ce jour ont été observés pour la réponse du capteur résistif vis-à-vis de suies issues de matériaux combustibles contaminés par des simulants de produits radioactifs mis en oeuvre dans le cadre du PIC Feux (décroissance de la conductance en fin d'essai, divergence de la conductance finale pour des mélanges complexes). Ces verrous soulignent la nécessité d'une étude théorique de la dynamique du dépôt en vue de sa quantification.
L'objectif de cette thèse est d'approfondir la compréhension de la dynamique du dépôt d'aérosols sur les parois en situation d'incendie et de finaliser le développement d'un système innovant de quantification en temps réel du dépôt de particules à différentes échelles.

Bac +5, Master 2 ou école d'ingénieur (génie des procédés, génie chimique, capteurs instrumentation et mesure, électronique et système embarqué, mécanique des fluides, combustion, énergétique, physique et métrologie des aérosols, physico-chimie des aérosols).