Numerical modelling and data assimilation for near-field and continental scale dispersion of radionucleides
Modélisation numérique et assimilation de données de la dispersion de radionucléides en champ proche et à l'échelle continentale
Résumé
Atmospheric dispersion models are used to forecast consequences of accidental releases of radioactivity. Models are based on either analytical, as in the case of pX 0.1, or numerical, as for example in Polair3D, solutions to the advection-diffusion equation. Main drawbacks affecting the quality of a forecast are a limited resolution of input meteorological fields and an incomplete knowledge of depletion processes. An investigation of how those drawbacks could be overcome thanks to coupling the models to measurements in data assimilation procedure is presented in this thesis. Model-to-data comparisons have been performed in the first place. The measurements employed in a validation procedure come either from passive tracer experiments or from accidental releases of radionuclides. A wind tunnel experiment for a near-field dispersion on a scale model of Bugey nuclear power station and continental scale ETEX-I experiment as well as the accidental releases in Chernobyl and Algeciras have been studied here. Secondly, measurements have been coupled to the models in order to improve an evaluation of consequences of accidental releases and to invert their sources, should model performance turn out to be sufficiently good. The standard variational method has been used for a near-field dispersion problem. An adjoint of pX 0.1 has been constructed with the help of an automatic differentiator, and the wind tunnel measurements have been assimilated. Capacity of finding the true source emission rate has been tackled in the first place. Next, data assimilation has been employed to accommodate the modelled and measured concentration fields. The required result has been achieved by optimising the parameters which drive the spatial distribution of a plume. Benefit from data assimilation is subject to the quantity of information contained in the measurements. Therefore, posterior analysis of the monitoring network has been carried out and the possibilities of size reduction in view of operational applications have been addressed. At continental scale, despite working exclusively with the grid boxes containing nuclear installations, the space spanned by sources is of significantly greater dimension than the one spanned by observations. Hence, the reconstruction of source position and its emission profile is an ill-posed problem. Its regularisation has been tackled with the maximum entropy on the mean principle. New cost functions, which embody spatial and temporal confinement of an accidental source, have been built. A source-measurement link has been provided by the adjoint of Polair3D. The method has been tested with both perfect and noisy synthetic measurements. A series of sensitivity studies have been conducted and the quality of reconstruction assessed with an objective indicator. An algorithm meant for operational usage which allows to reduce the number of suspected sites has also been tested. Finally, the results of inversion of the temporal profile of the Algeciras accidental source have been shown.
La prévision des conséquences de rejets radioactifs dans l'atmosphère repose sur des modèles de dispersion qui fournissent des solutions analytiques (pX 0.1 développé par IRSN/ECL) ou numériques (Polair3D développé au CEREA) de l'équation d'advection-diffusion. Les modèles s'appuient d'une part sur des champs météorologiques possédant une résolution limitée et intègrent d'autre part des processus d'appauvrissement d'un nuage radioactif dont la description est imparfaite. Afin de contourner ces difficultés nous exploitons dans cette thèse les opportunités offertes par le couplage des modèles aux mesures, connu sous le nom d'assimilation de données. Dans un premier temps nous confrontons les modèles utilisés à des observations. Ces dernières sont fournies par des expériences effectuées avec des traceurs passifs ou collectées suite a des rejets de radionucléides. La dispersion sur une maquette de la centrale de Bugey dans une soufflerie en champ proche, l'expérience ETEX-I à l'échelle continentale et les rejets accidentels de Tchernobyl et Algésiras font l'objet d'études dans ce travail. Dans un deuxième temps, les modèles de dispersion sont associés aux mesures dans le but d'améliorer l'évaluation de conséquences de rejets radioactifs et d'inverser leur sources si la qualité du modèle le permet. En champ proche, l'approche variationnelle standard est utilisée. L'adjoint de pX 0.1 est construit à l'aide d'un différenciateur automatique. Les mesures collectées dans la soufflerie sont assimilées afin d'inverser le débit de la source. Dans le but d'obtenir un meilleur accord entre le modèle et les mesures, l'optimisation des paramètres gouvernant la distribution spatiale du panache est ensuite abordée. L'avantage de l'emploi de mesures est conditionné par leur contenu informatif. Ainsi, l'analyse a posteriori du réseau de mesures est effectuée et des possibilités de réduire sa taille en vue des applications opérationnelles sont exploitées. A l'échelle continentale, malgré la restriction aux mailles contenant des sites nucléaires, l'espace engendré par des sources est de dimension considérablement plus grande que l'espace d'observations. Par conséquent le problème inverse de reconstruction de la position et du profil temporel des sources est mal posé. Ce problème est régularisé en utilisant le principe du maximum d'entropie sur la moyenne. Des nouvelles fonctions coût prenant en compte le confinement spatio-temporel des sources accidentelles sont construites dans l'espace d'observations. Le lien entre la source recherchée et les mesures est décrit par l'adjoint de Polair3D. Les observations assimilées par la méthode sont constituées de mesures synthétiques, parfaites ou bruitées. Une série d'expériences se focalisant sur des sensibilités de la méthode est menée et leur qualité évaluée à l'aide d'un indicateur objectif. Un algorithme de réduction des sites suspectés pour des applications opérationnelles est testé. Finalement, les résultats de l'inversion du profil temporel de la source de l'accident d'Algésiras sont présentés.
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