SIMULATION DES REJETS ATMOSPHERIQUES DE L'ICPE KALIN A DU CEA CADARACH E
Laure-Line PARISI, Pierre ROUBIN, Yves MARGERIT , Jean-Claude PETRONIN, Franck JOURDAI N
CEA DTNISMTM/LMTE, CEA Cadarache, Saint Paul lez Durance, 13108, France
Contexte
Pour respecter la réglementation en vigueur relative aux rejets de soude dan s l'environnement, le CEA Cadarache doit procéder à une mise à niveau de son installatio n KALINA qui implique notamment la mise en place d'un nouvel émissaire de rejet (cheminée) . Cette redéfinition a pour but de limiter l'impact de ses activités sur les travailleurs ainsi qu e sur l'environnement jouxtant l'installation .
A ce stade du projet, seuls la méthodologie et les résultats permettant le calage des modèle s sont présentés .
Analyse des contraintes et paramétrisation de la modélisatio n
Classée ICPE (Installation Classée pour la Protection de l'Environnement), l'installatio n KALINA a pour mission de traiter par hydrolyse des pièces ayant été en contact avec d u sodium et pouvant contenir du tritium . Les opérations de nettoyage entrainent la formatio n d'aérosols (de soude et de tritium) dont une partie, après traitement des fumées (lavage), es t rejetée dans l'environnement .
L'emprise au sol du bâtiment de l'installation KALINA est de l'ordre de 84m 2 (14mx6m) pou r une hauteur d'environ 6m . Il se situe dans la partie sud-est du centre (Figure 1) à proximit é de l'installation VULCANO (Figure 4) et est orienté d'environ 15° est par rapport au nord . Le système d'extraction actuellement installé sur le toit de l'installation KALINA (Figure 1) es t incliné à 45° vers le haut et orienté vers le sud-est .
Figure 1 : Localisation de l'installation KALINA sur le site du CEA Cadarach e
Cet exutoire ne permettant plus de répondre aux normes actuelles, l'installation souhait e construire un nouvel émissaire de rejet dont il faut déterminer l'emplacement et la hauteu r optimaux .
Une première étude du dimensionnement de cet exutoire prenant en compte les contrainte s liées au bruit, à la neige, aux séismes, à la foudre et aux risques d'explosion a permis d e retenir cinq options d'implantation (Figure 2) industriellement viables :
- le long de l'installation KALINA , - le long de l'installation VULCANO , - au nord-est de l'installation VULCANO ,
- sur le versant de la colline proche, à l'est de l'installation ,
- sur le toit de l'installation KALINA (en lieu et place de l'extracteur actuel) .
Figure 2 : Implantations potentielles du nouvel émissaire de reje t
C'est sur la base de ces implantations que des simulations des rejets de l'installation son t réalisées . Elles permettront d'évaluer les concentrations en polluants en fonction du nouvea u point de rejet .
Pour la soude, la concentration maximale admissible est de 2mglm 3 au niveau du sol pou r un travailleur, sa valeur de l'IDLH (Immediatly Dangerous to Life or Health) est de 10mg/m 3 [1] . En prenant un coefficient de protection de 10, ces valeurs passent respectivement à 0,2mg/m 3 et 1 mg/m 3.
Pour le tritium, il n'existe pas de valeur réglementaire de concentration dans l'air . En s e basant sur la dose publique admissible, de 1 mSv/an [2], et en prenant un coefficient d e protection de 10, nous pouvons donc évaluer la concentration en tritium dans l'air conduisan t à une dose de 0,1 mSv/an . En considérant un travailleur ayant un débit respiratoire de 1, 2 m3lh [3], un coefficient de dose par inhalation pour la forme eau tritiée de 1,8 .10-11 SvIBq [4] , on estime une concentration admissible de tritium de l'ordre de 500 Bglm 3. Comme nous l e verrons par la suite, compte tenu des quantités des différents polluants émis à l'environnement il apparaît que le critère en concentration admissible concernant la soud e est plus pénalisant que celui du tritium . Ainsi seul le cas des rejets de soude sera présent é dans la suite du document .
Pour déterminer la position et la hauteur optimale du futur émissaire, il est donc nécessaire d'estimer la dispersion atmosphérique des polluants relâchés par l'installation dan s l'environnement. On simule les rejets potentiels pour six positions d'émissaire : la positio n actuelle de l'émissaire et les cinq options d'implantations et on estime les concentration s dans l'air et sur les sols à proximité de l'installation .
Dans cette étude on modélise la dispersion des polluants à l'aide des codes de calcul s ADMS [5] et Star-CD [6], retenus en regard de leur capacité à prédire la dispersion e n champ proche . Ils ont été choisis pour leur complémentarité : ADMS permet une mise e n oeuvre rapide des calculs, ses résultats donnent une première idée du comportement d u nuage de polluants . Star-CD est un code plus complexe dans la paramétrisation des calcul s mais offre une meilleure description des écoulements et une meilleure prise en compte de l a topographie . Les résultats attendus seront donc plus précis à l'échelle locale .
La dispersion atmosphérique de polluants étant étudiée en champ proche, le domain e considéré couvre une superficie de presque 6ha (240mx240m) . Les modélisations réalisée s tiennent compte de la configuration spécifique du site :
- un relief prononcé ,
- la présence de bâtiments de grande hauteur (installation VULCANO) , - l'aérologie locale .
Concernant la topographie, le site d 'implantation de l 'installation KALINA est enclavé dans l e fond d'un vallon encaissé entre trois colline s
Figure 3) .
8 .77 6
Figure 3 : Topographie autour de l'installation KALIN A
L'installation KALINA se trouve à une altitude de 314m . Les altitudes des trois collines environnantes sont comprises entre 320 et 330m . La végétation locale est composé e d'arbres et d'arbustes dispersés dont l'effet sur le profil de vent correspond à une rugosit é aérodynamique de 1 m .
Concernant les bâtiments, l'installation KALINA est à proximité immédiate de l'installatio n VULCANO (Figure 4) . Cette dernière est composée de plusieurs bâtiments pour un e superficie totale de 420m 2 (14mx30m) . Le bâtiment de plus grande hauteur de cett e installation atteint 20m, soit environ trois fois celle du bâtiment de l'installation KALINA. Ces deux ensembles de bâtiments sont situés à moins de 10m l'un de l'autre induisant un fort effet couloir rendant indispensable leur prise en compte dans les modélisations .
Figure 4 : Bâtiments implantés sur le site de l'installation KALINA (à droite, CAO Star-CD ) Pour modéliser la dispersion des effluents rejetés par voie atmosphérique d 'une installation , il est également nécessaire de connaître les champs de vents caractéristiques au droit de celle-ci . Au vu de la configuration du site de l 'installation KALINA, les données (direction et vitesse du vent) collectées aux trois stations météorologiques du centre de Cadarache, n e sont pas représentatives des champs de vent locaux . Une campagne de mesure s anémométriques in-situ a donc permis de mieux connaître le champs de vent . Elle a notamment mis en évidence le comportement des deux vents principaux constatés sur la
région : un vent de sud-est (14 0 0) et un vent d'ouest (270°, Mistral) . En amont de l'installatio n VULCANO, la condition de Mistral garde la composante directionnelle observée su r l'ensemble du site de Cadarache (270°) mais une vitesse moyenne (2,2 mis) supérieure à celle observée par ailleurs sur le site de Cadarache . Par contre au niveau de l ' installatio n KALINA on observe une redirection de du vent à 230° due aux effets conjugués de l a topographie et du sillage de l'installation VULCANO .
Modélisation de l'exutoire actue l
Afin de valider les modèles mis en oeuvre pour la détermination de la position et la hauteu r optimales du futur exutoire de l'installation KALINA, il convient dans un premier temps d e modéliser les rejets d'effluents dans leur configuration actuelle (débit d'extraction de l'ordr e de 10000 m 3lh) .
L'installation KALINA est susceptible de rejeter dans l'environnement : n 30 mg/m 3 de soude, soit encore 0,3 kg/h ,
n 1 .10 -12 mg/m 3 de tritium (3 .10 7 Bq/an), soit encore 0,4 Bq/m 3.
Si l'on compare ces valeurs aux limites admissibles présentées plus haut dans le document , il apparaît clairement que seuls les rejets de soude peuvent conduire à un dépassement d e ces limites . Les modélisations présentées dans la suite du document concernent donc le s rejets de soude .
Le calage des modèles est présenté ici pour la condition de vent la plus fréquente sur le sit e de Cadarache, à savoir la condition de Mistral .
Avec le code ADMS on considère, en première approximation, un champ de vent uniform e sur tout le domaine d'étude, un rejet vertical et pas de prise en compte de la topographie . Afin de simuler la redirection du vent (de 270° à 230°) au niveau de l'installation KALINA, u n deuxième calcul est réalisé avec une direction du vent à 230° (vitesse du vent de (,8m/ s issue des mesures in-situ) .
La Figure 5 présente les résultats obtenus avec ADMS pour les conditions de Mistral à 270 ° (figure de gauche) et à 230° (figure de droite) . On observe alors des différences aussi bie n en termes de trajectoire des panaches de polluants que dans leur forme . Avec un vent d e 270° la zone de recirculation, en amont de l'émissaire, est nettement marquée mettant e n évidence l'effet du bâtiment de l'installation . VULCANO . A contrario, il apparaît que pour l a condition 230° les bâtiments n'ont plus d'influence marquée et que la situation est analogu e à celle d'un simple rejet en hauteur (absence de concentration significative au pied d e l'exutoire) .
Vent 270' à 2 .2mIs - Rejet vertical - Sans topographi e Concentrations en mglm3 calculées à 3m au dessus du so l
0.03 5
0.03
0.02 5
0.02
MISTRA L
0 .04
Vent 230'• à 0,8mis - Rejet vertical - Sans topographie Concentrations en mgim3 calculées à 3m au dessus du so l
0 .02 4
0022
0 0 2
0 .01 3 159203 -
15915D -
1591CA-
l p 1!
159050 -
15s550 - 1592CD -
159150 -
1591C0 -
ti 1sso0-
1530W-
1%1 :53370 -
0.015
0 005
b,unenl ou jet
0 .016
0 01 4 I ~ LJo0)12
Ca!rmhrt,
7 ; '_fQ 7I'30 1:'00
etres
,774;0
r
,77200 .7 :50 ,,'14 GO 774,0
M ~_tre s
Figure 5 Résultats ADMS pour les deux conditions de Mistral (270° et 230° )
Des essais d'enfumage (par fumigènes et générateur de fumées), effectués afin d'observe r la dispersion des fumées en sortie de l'émissaire sous la condition de Mistral (Figure 6,
image de gauche), semblent montrer que les panaches auraient un comportement à mi - chemin entre les deux modélisations présentées sur la Figure 5 . Cela s'explique par l e caractère non stationnaire du vent et l'importance des turbulences présentes au niveau d e l'exutoire de l'installation KALINA . La modélisation ADMS a été reprise en considérant cett e fois non plus une direction unique pour le Mistral mais une plage de directions du ven t balayant 230° et 270° (Figure 6, image de droite) . La topographie n'est toujours pa s considérée .
Vent à 230°1 270° - Rejet vertical - Sans topographi e Concentrations en mg"rn3 calculées a 3m au dessus du so l
,c?
Métre s i i
Figure 6 : Essais d'enfumage et résultats ADMS avec prise en compte d'une plage de direction de vent pour la condition Mistra l
Les concentrations en polluants visibles en amont du rejet (dans le couloir situé entre le s installations KALINA et VULCANO) sont dues à la modélisation faite avec le code ADMS d e l'exutoire . Elles constituent une anomalie due aux approximations actuelles d'ADMS pou r modéliser les effets des bâtiments .
La concentration maximale est évaluée dans une couche d'épaisseur 3m au dessus du sol . . En effet, c'est dans cette couche qu'un travailleur est le plus susceptible de se trouver et qu e l'impact sur l'environnement sera le plus marqué . La concentration maximale obtenue dan s cette couche se trouve à 30m de l'exutoire dans l'axe du panache . Elle est de l'ordre d e 0,02mg/m3 soit 10% de la valeur limite fixée .
Afin d'obtenir une comparaison préalable des deux codes, un calcul est tout d'abord effectu é avec le code Star-CD en considérant un rejet vertical . Le même calcul est ensuite repris pou r un rejet incliné à 45° par rapport à l'horizontale (configuration réelle) . Il est à noter que le s calculs réalisés avec le code Star-CD incluent une modélisation précise de l'ensemble de s bâtiments (Figure 4) et, qu'à ce stade de l'étude, ils ne tiennent pas compte de l a topographie du site .
Les résultats de ces deux calculs conduisent à des concentrations plus élevées, d'un facteu r 3 environ, pour le rejet incliné . La Figure 7 présente les résultats du calcul avec rejet incliné .
158965 x(m )
877244 677294 377)44 07394 .37744 4
Figure 7 : Résultats obtenus avec Star-CD sans prise en compte de la topographi e De manière qualitative, on remarque que la forme du panache de polluants (direction e t étalement) en aval de l'émissaire, est, contrairement au code ADMS, plus conforme à cell e observée lors des essais d'enfumage (cf . Figure 6) . Le panache est légèrement dévié vers l e nord, ce qui est en accord avec la redirection (de 270° à 230°) du vent mesurée au niveau d u toit de l'installation KALINA et observable sur les champs de vent modélisés avec STAR-C D (Figure 9 à droite) . Les concentrations obtenues en amont de l'installation KALINA sont due s aux recirculations causées par le sillage de l'installation VULCANO mais pourraient êtr e surestimées par le modèle de turbulence (k-s) utilisé par Star-CD . Une autre explicatio n pourrait être le fait-de ne pas considérer la topographie . Ainsi, le maximum de concentratio n se trouve en amont de l'installation au lieu d'être en aval .
La concentration maximale obtenue dans la couche d'épaisseur 3m au dessus du sol s e trouve à 11 m de l'exutoire soit 3 fois plus proche qu'avec le code ADMS . Elle est compris e entre 0,3 mg/m 3 et 0,6mg/m 3 dans l'axe du panache soit 150% à 300% de la valeur limit e fixée . Cette valeur est environ 30 fois plus forte que celle de la concentration maximal e obtenue par le code ADMS .
Afin d'apprécier l'importance de l'effet du relief, une nouvelle modélisation tenant compte d e la topographie est réalisée . La Figure 8 présente les résultats Star-CD de cette modélisatio n pour un rejet incliné .
5(m)
0.554 E 0.552 4 0 509 5 0 .467 4 9424 9 0262. 1 3 339 9 0 .257 5 0 2125 0 .1700 lie'
>.~rwa 0127 5
C .8415E-01 042239E-01 0OCC O 15)015 -l—
I
Vent 270° 4 22n1 .s -Rejeta 45" - Sanstopographie
C o ncentrations en rug Ina calculeesa3rn audessusduso l i
15916 5
1`911 9
15916 5
155115
151015
15,01 5
1,065
e65 1 06176 o570 1 0502 5 04%5 1 0427 6 0 80 1 .302 5 o2550 0237 5 J1300 0 .1,5 C5501E-0 1 04751E-0 1 r:uon
Venn 270" ;►2,2m-s .Rejeté45` -Avec topographie
Concentratiarrseuung-utacalculéesa 3m an Jesus dusol
77m•,
117244 317 2r:î4 0/7144 ,T711 .4
Figure 8 : Résultats obtenus avec Star-CD avec prise en compte de la topographi e Deux remarques importantes sont à faire sur les résultats obtenus . La première est liée à l a forme du panache de polluants en aval de l'émissaire qui est plus étroite, à 3m au dessus d u sol, que celle sans prise en compte de la topographie . Le panache est, encore une fois,
légèrement dévié vers le nord . La seconde remarque concerne la zone de recirculation entre les deux bâtiments qui n'existe plus lorsque la topographie est prise en compte . Les essai s d'enfumage réalisés sur site confirment cette tendance et il semblerait que la topographi e tende à réduire l'effet du sillage de l'installation VULCANO .
Afin de vérifier cette explication, on trace les champs de vent obtenus avec et sans prise e n compte de la topographie (dans le cas d'un rejet incliné) .
Sans Topographie Avec Topographi e
2.500 Z.321 14 3 1 .964 1 .756 1 .607 1 429 1 250 1 .1)1 0.692 9 0.714 3 0.535 7 0.357 1 0.170 6 0.000 0
Figure 9 : Champs de vent avec et sans prise en compte de la topographie pour un reje t incliné (45° )
D'après la Figure 9 on constate tout d'abord que la déviation du panache vers le nord peu t être expliquée par la redirection du vent aux abords des bâtiments . De plus, on remarqu e que la zone de recirculation entre les bâtiments est plus fortement marquée dans le cas d u calcul sans le relief . Ceci permet de confirmer que la prise en compte de la topographi e réduit l'effet du sillage de l'installation VULCANO . Enfin, on note que la forme des panache s en aval de l'émissaire est intimement liée à celle des champs de vent qui sont plus perturbé s dans le cas sans topographie . La topographie a donc pour effet de partiellement gomme r l'ampleur des sillages en aval de l'installation .
La concentration maximale obtenue dans la couche d'épaisseur 3m au dessus du sol s e trouve à 14m de l'exutoire dans l'axe du panache . Les valeurs des concentrations les plu s fortes varient entre 0,3 mg/m 3 et 0,7mg/m 3 dans l'axe du panache suivant la position du poin t de calcul, soit 150% à 350% de la valeur limite fixée .
Discussio n
Les différences entre les modélisations réalisées avec ADMS et Star-CD sont notables e t méritent des investigations complémentaires . Ainsi, les principales critiques que l'on peu t faire vis-à-vis des modélisations réalisées à ce stade sont :
n L'utilisation de conditions de vent uniformes en entrée du domaine et non d'un cham p de vent tridimensionnel sur l'ensemble du domaine . II est à noter que des champs d e vents 3D peuvent être introduits dans les calculs réalisés avec ADMS et Star-CD . Pour cela, de nouvelles mesures anémométriques vont être réalisées sur le site d e KALINA afin de mailler plus finement le domaine d'étude . L'anémométrie au droit d u site mériterait une étude à part entière afin notamment de corréler les directions au x vitesses de vent et de disposer de profils verticaux . Les directions de vent utilisé s pour cette étude sont toutefois acceptables vis-à-vis de celles caractéristiques du sit e de Cadarache qui, elles, ont été validées .
n L'utilisation d'un code de CFD, Star-CD, qui ne traite que des cas en atmosphèr e neutre dans cette étude . Cependant, si la comparaison avec ADMS donne des
résultats satisfaisants sous cette condition, des calculs en atmosphère convective ou stable pourraient alors être envisagés .
nLe maillage utilisé pour les calculs avec et sans prise en compte de la topographi e est différent . Cependant, ces différences ne jouent pas un rôle important sur le s résultats et le maillage est, dans chaque cas assez fin, pour avoir des résultat s insensibles au maillage .
nL'utilisation d'un modèle de turbulence (k, E) peu adapté aux écoulements complexes , notamment par sa tendance à sous-estimer l'étalement latéral des panaches et à surévaluer la diffusion dans les zones de recirculation . Ceci expliquerait les résultat s du calcul non totalement conformes aux essais d'enfumage . Aussi, bien que ce soit un modèle robuste et simple de mise en oeuvre couramment employé, des calcul s complémentaires sont envisagés en utilisant un modèle de turbulence du secon d ordre de type (Rij,E) .
nLa pertinence des paramètres utilisés dans ADMS . En effet, la définition de s bâtiments et la géométrie du rejet (forme et inclinaison de l'extracteur actuel) son t relativement sommaires en raison de certaines limitations du code .
nLa définition des polluants pris en compte . En effet, la soude a été traitée en tant qu e gaz . Cependant, le traitement sous forme de particules implique un dépôt plu s important au sol et donc une concentration dans l'air plus faible . Notre hypothès e permet donc de rester enveloppe vis-à-vis des concentrations dans l'air .
Conclusio n
Les concentrations et la forme du panache obtenues suite à la modélisation avec le cod e Star-CD en tenant compte du relief sont les plus en accord avec les essais d'enfumag e réalisés sur site . La prise en compte des bâtiments et de la topographie sont donc de s paramètres importants qu'il faut représenter avec un code de CFD, plus précis à l'échell e locale . L'étude des options d'implantation (position et hauteur de l'exutoire), sera don c réalisée en veillant à modéliser de manière précise ces éléments . Le code ADMS permettra , quant à lui, de discriminer les hauteurs de rejet à reprendre avec Star-CD pour chaqu e emplacement envisagé .
A ce stade du projet, le calage des codes avec l'exutoire actuel est jugé satisfaisant . Il permettra d'obtenir prochainement des modélisations ADMS et Star-CD qualifiées sur l e domaine d'étude .
Le choix final de l'emplacement et de la hauteur de la future cheminée de l'installatio n KALINA devra également prendre en compte des critères économiques, c'est-à-dire qu' à pouvoir de dispersion équivalent, la solution la moins onéreuse sera évidemment retenue . Référence s
1. Documentation for Immediately Dangerous to Life or Health Concentrations (IDLH) - NTIS Publication No . PB-94-195047 .
2. Décret du 4 avril 2002 relatif à la protection des personnes contre les dangers de s rayonnements ionisants . Journal Officiel du 6 avril 2002.
3. CIPR 66 - Human respiratory tract model for radiological protection — 1994 .
4. CIPR 71-72 : Age-dependant doses to members of the public from intake o f radionuclides : Part 4 - Inhalation dose coefficients : ICRP 71 ; Age-dependant doses to members of the public from intake of radionuclides : Part 5 Compilation of ingestio n and inhalation dose coefficients : ICRP 72 .
5. Guide Utilisateur d'ADMS 4 .0 - NUMTECH – Juillet, 2004
6. STARCD version 4 .06 - User Guide and Methodology Manual - © 2008 CD-Adapco
