Étude sur la remise en suspension de particules suite à la marche d’un opérateur

Particle resuspension due to human walking

• Auteur / Autrice : Zakaria Mana
• Direction : Marc Rabaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, énergétique
• Date : Soutenance le 09/12/2014
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Modélisation et Instrumentation en Physique, Energie, Géosciences et Environnement (Orsay, Essonne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN) (Fontenay-aux-Roses ; 2002-....) - EDF Lab Paris-Saclay
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fluides, automatique et systèmes thermiques (Orsay, Essonne ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Caroline Nore
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Caroline Nore, Evelyne Gehin, Francis Allard, François Gensdarmes, Laurent Ricciardi, Caroline Monier, Mathieu Guingo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Evelyne Gehin, Francis Allard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Marche (locomotion)

Air -- Écoulement

Aérosols

Mots clés libres

Mise en suspension

Aérosols

Marche

Distributions de forces d’adhésion

Écoulement d’air

Resuspension

Aerosol

Human walking

Adhesion force distribution

Airflow

Résumé

Lors des interventions humaines pendant les arrêts de tranche des installations nucléaires d’EDF, on remarque une remise en suspension de certains radionucléides sous forme d’aérosols (1 µm < dp < 10 µm). Dans le cadre d’une augmentation des interventions effectuées de façon simultanée en bâtiment réacteur, il devient important de mieux comprendre la remise en suspension due à l’activité des opérateurs pour adapter leur radioprotection. Le but des travaux de cette thèse est de quantifier la remise en suspension des particules suite à la marche des opérateurs sur un sol faiblement contaminé. Pour cela, la démarche suivie consiste à coupler un modèle de remise en suspension aéraulique avec des calculs numériques d’écoulement sous une chaussure, puis à caractériser expérimentalement certains paramètres d’entrée du modèle (diamètre de particule, forces d’adhésion, mouvement de la chaussure).Le modèle de remise en suspension Rock’n’Roll proposé par Reeks et Hall (2001) a été choisi car il décrit de manière physique ce mécanisme et est basé sur le moment des forces appliquées à une particule. Il nécessite la maîtrise de paramètres d’entrée tels que la vitesse de frottement de l’air, la distribution des forces d’adhésion et le diamètre des particules.Concernant le premier paramètre, des simulations numériques d’écoulement ont été réalisées, à l’aide du code de calcul ANSYS CFX, sous une chaussure de sécurité en mouvement (numérisée par CAO 3D) ; les cartographies des vitesses de frottement obtenues donnent des valeurs de l’ordre de 1 m.s⁻ ¹ pour une vitesse angulaire moyenne de 200 °.s⁻ ¹ .Concernant le deuxième paramètre, des mesures AFM (Atomic Force Microscope) ont été réalisées avec des particules d’alumine ainsi que des particules d’oxyde de cobalt en contact avec des surfaces en époxy représentatives de celles rencontrées dans les installations d’EDF. L’AFM permet d’obtenir la distribution des forces d’adhésion et révèle une valeur moyenne bien plus faible que ce qui peut être calculé de façon théorique en utilisant par exemple le modèle JKR proposé par Johnson et al. (1971). De plus, cette technique, tenant compte des rugosités de surface, montre que plus la taille de la particule augmente, plus la moyenne des forces d’adhésion diminue. Enfin, l’analyse des mesures AFM a permis d’obtenir une corrélation liant la distribution des forces d’adhésion au diamètre des particules, remplaçant celle de Biasi et al. (2001) initialement utilisée dans le modèle Rock’n’Roll et permettant ainsi d’adapter le modèle aux particules et aux revêtements de sol étudiés. Le couplage, effectué dans le code de calcul ANSYS CFX, entre les calculs de vitesses de frottement et le modèle de remise en suspension, a permis de déterminer des taux de remise en suspension théoriques pour le cas d’un cycle unique de marche. Ce couplage a été dans un premier temps validé par une comparaison à l’expérience pour le cas simple d’une plaque en rotation dans un volume contrôlé. En complément, des expériences à l’échelle d’un local ventilé de 30 m³ ont été réalisées en marchant sur un revêtement époxy ensemencé en particules de tailles calibrées (1,1 µm et 3,3 µm). Ces expériences ont permis de mettre en évidence les paramètres influant la remise en suspension des particules, tels que la fréquence de pas et la taille des particules.

In nuclear facilities, during normal operations in controlled areas, workers could be exposed to radioactive aerosols (1 µm < dp < 10 µm). One of the airborne contamination sources is particles that are initially seeded on the floor and could be removed by workers while they are walking. During the outage of EDF nuclear facilities, there is a resuspension of some radionuclides in aerosol form (1 µm < dp < 10 µm). Since the number of co-activity will increase in reactors buildings of EDF, it becomes important to understand particle resuspension due to the activity of the operators to reduce their radiation exposure. The purpose of this Ph.D thesis is to quantify the resuspension of particles due to the progress of operators on a contaminated soil. Thus, the approach is to combine an aerodynamic resuspension model with numerical calculations of flow under a shoe, and then to characterize experimentally some input parameters of the model (particle diameter, adhesion forces, shoes motion).The resuspension model Rock'n'Roll proposed by Reeks and Hall (2001) was chosen because it describes physically the resuspension mechanism and because it is based on the moment of forces applied to a particle. This model requires two input parameters such as friction velocity and adhesion forces distribution applied on each particle.Regarding the first argument, numerical simulations were carried on using the ANSYS CFX software applied to a safety shoe in motion (digitized by 3D CAO); the mapping of friction velocity shows values of about 1 m.s⁻ ¹ for an angular average velocity of 200 °.s⁻ ¹ . As regards the second parameter, AFM (Atomic Force Microscopy) measurements were carried out with alumina and cobalt oxide particles in contact with epoxy surfaces representative of those encountered in EDF power plants. AFM provides the distribution of adhesion forces and reveals a much lower value than what can be calculated theoretically using JKR model (Johnson et al. (1971)). Moreover, this technique, taking into account the surface roughness, shows that adhesion forces decrease while particle diameter increase. Finally, the analysis of AFM measurements gives a correlation linking the distribution of adhesion forces to the particle diameter, replacing the one given by Biasi et al. (2001) originally used in the Rock'n'Roll model and thereby adapt the model to particles and flooring studied in our case.Coupling, performed in ANSYS CFX software, between the calculations of friction velocity and model of particle resuspension, gives theoretical resuspension rate during shoe motion. This coupling was initially validated by comparison to the experience for the simple case of a rotating plate in a controlled volume. Secondly, experiments at the scale of a ventilated room of 30 m³ were performed by walking on an epoxy coating initially seeded by calibrated particle size (1,1 µm and 3,3 µm). These experiments highlight the parameters influencing the suspension of particles, such as step frequency and particle size.