Granulométrie des aérosols pour la dispersion atmosphérique et le dépôt des radionucléides // Aerosol particle size distribution for atmospheric dispersion and radionuclide deposition

Les transferts des aérosols radioactifs de l'atmosphère vers le sol sont régis par des mécanismes physiques appelés génériquement 'dépôts'. Or, les quantités déposées varient de plusieurs ordres de grandeur en fonction de la taille des aérosols et influencent leur distribution dans le temps et dans l'espace. Ce mécanisme n'est pas ou mal pris en compte dans les modèles actuels de dispersion atmosphérique de la radioactivité. Dans le cadre des travaux de thèse proposés, il faudra coupler la distribution en taille des aérosols aux modèles de dispersion atmosphérique afin de mieux évaluer les conséquences d'un accident nucléaire et d'affiner la compréhension des mesures de radionucléides surveillés en routine.
L'un des objectifs de la thèse est d'améliorer la compréhension de la dispersion atmosphérique associée à l'accident de Fukushima. Quatorze ans après la catastrophe de Fukushima, la reproduction des cartes de dépôt consécutives à cet accident reste difficile, et la distribution des aérosols est incertaine.
Un autre enjeu de la thèse est de mieux évaluer les augmentations du débit de dose gamma, mesurées sur le réseau de surveillance, dues au lessivage des descendant du radon atmosphérique. Environ la moitié de ces augmentations est mal modélisée (Quérel et al., 2022). Une part des erreurs proviendrait du fait que la taille des aérosols porteurs de ces descendants serait dix fois plus petite que celle considérée actuellement.

Une riche littérature montre l'impact de la granulométrie des aérosols pour les modèles climatiques et pour la prévision de la qualité de l'air. Cette prise en compte est cependant plus rare dans les modèles de dispersion atmosphérique dédiés à la radioactivité. Un des enjeux de la thèse sera le choix de la représentation de la granulométrie la plus adaptée : par mode ou par classe. Cette question est encore ouverte (Jones et al., 2022). Le découpage des classes en iso-gradient de Forêt et al. (2006) présente lui aussi un potentiel intéressant, bien que non-validé sur des aérosols de taille submicronique.
Les modèles de dispersion de la radioactivité dans l'atmosphère de la thèse ont déjà été utilisés et validés sur le cas Fukushima (Korsakissok et al., 2013 ; Saunier et al., 2013) et radon (Quérel et al., 2022). Reste à y implémenter une physique de la granulométrie des aérosols, puis à en évaluer les conséquences en comparant les résultats des modèles de dispersion aux observations de radioactivité dans l'environnement. L'ajout de la modélisation de la taille des aérosols pourra s'inspirer des modules existant dans des modèles de qualité de l'air largement utilisés par la communauté, tel que Polair3D et/ou que CHIMERE.
Le premier semestre de la thèse sera consacré à une prise en main des outils de modélisation, des cas de validation et à la bibliographie, afin de choisir un ou plusieurs schémas de couplage de la granulométrie aux modèles de dispersion. Au deuxième semestre, le modèle de granulométrie sera implémenté aux modèles de dispersion. La deuxième année et la première partie de la troisième année seront consacrées à l'application de ces modèles aux cas de Fukushima et du radon. Il s'agira de déterminer dans quelle mesure le couplage de la granulométrie influence les dépôts et si cela permet d'améliorer la modélisation, au vu des observations. La dernière moitié de la troisième année sera consacrée à la rédaction du mémoire et la préparation de la soutenance.
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The transfer of radioactive aerosols from the atmosphere to the ground is governed by physical mechanisms known generically as deposition. However, the quantities deposited vary by several orders of magnitude depending on aerosol size, and influence their distribution in time and space. This mechanism is not, or only inadequately, taken into account in current models of atmospheric dispersion of radioactivity. As part of the proposed thesis work, aerosol size distribution will need to be coupled to atmospheric dispersion models in order to better assess the consequences of a nuclear accident, and to refine understanding of the radionuclide measurements routinely monitored.
One of the aims of the thesis is to improve understanding of atmospheric dispersion associated with the Fukushima accident. Fourteen years after the Fukushima disaster, the reproduction of deposition maps following this accident remains difficult, and the distribution of aerosols is uncertain.
Another challenge of the thesis is to better assess the increases in gamma dose rate, measured on the monitoring network, due to the leaching of atmospheric radon progeny. Around half of these increases are poorly modelled (Quérel et al., 2022). Part of the error is due to the fact that the size of the aerosols carrying these progeny is ten times smaller than that currently considered.

Previous studies show the impact of aerosol granulometry on climate models and air quality forecasting. However, this is rarely taken into account in atmospheric dispersion models dedicated to radioactivity. One of the issues at stake in this thesis will be the choice of the most appropriate granulometry representation: by mode or by class. This question is still open (Jones et al., 2022). Forêt et al.'s (2006) iso-gradient class partitioning also offers interesting potential, although it has not been validated on submicron-sized aerosols.
Atmospheric dispersion models have already been used and validated on the Fukushima (Korsakissok et al., 2013; Saunier et al., 2013) and radon (Quérel et al., 2022) cases. Aerosol granulometry physics still needs to be implemented, and the consequences assessed by comparing the results of dispersion models with observations of radioactivity in the environment. The addition of aerosol size modeling will be inspired by existing modules in air quality models widely used by the community, such as Polair3D and/or CHIMERE.
The first semester of the thesis will be devoted to getting to grips with the modeling tools, validation cases and the bibliography, in order to choose one or more schemes for coupling granulometry to dispersion models. In the second semester, the granulometry model will be implemented in the dispersion models. The second year and the first part of the third year will be devoted to applying these models to the cases of Fukushima and radon. The aim will be to determine to what extent the coupling of granulometry influences deposition, and whether this can be used to improve modelling in the light of observations. The last half of the third year will be devoted to writing the thesis and preparing the defense.
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Début de la thèse : 01/10/2025
WEB : https://irsn-career.talent-soft.com/offre-de-emploi/emploi-granulometrie-des-aerosols-pour-la-dispersion-atmospherique-et-le-depot-des-radionucleides-env25-8-h-f_1174.aspx

Financement d'un établissement public Français

Université Paris Cité

129 Sciences de l'Environnement d'Ile-de-France

Diplômé Master 2, connaissances en physico-chimie de l'atmosphère, (aérosols, sciences du climat…) requises. Compétences en modélisation recommandées. Anglais (2- Niveau professionnel).
Master 2 degree, knowledge of atmospheric physics and chemistry (aerosols, climate science...) required. Modeling skills recommended. English (2- Professional level).