Le Labra, Laboratoire des rayonnements appliqués

Le Laboratoire des rayonnements appliqués (Labra) a fêté ses 50 ans le 11 juillet 2019. Installé sur le site du CEA Paris-Saclay, le Labra réalise des opérations de qualifications de tenue aux rayonnements de différents matériels, essentiellement pour l’industrie nucléaire et de radio-stérilisation dans le domaine de la santé. Tour d’horizon de cette installation fraîchement rénovée.

Le Centre d’application et de promotion des rayonnements ionisants (Capri), ancêtre du Labra, a été créé en 1969 avec, dès son début d’exploitation, les installations Vulcain, Pagure et Poséidon.

À partir de 1985, le laboratoire est transféré au groupe CEA-Industrie en tant qu’installation de service. C’est en 2000, lors de son rattachement à Cisbio, société de biotechnologie et de recherche pharmaceutique, que le Capri est devenu le Labra. En 2007, près de 40 ans après son lancement, l’installation réintègre le CEA qui le rattache à Osiris, un réacteur de recherche du centre de Saclay. Ce réacteur est arrêté en 2015 et le Labra est alors transféré en 2017 au département de physico-chimie de la Direction de l’énergie nucléaire, qui utilisait notamment les installations du Labra, le tout sans interruption de service.

L’arrêt programmé du réacteur Orphée, fin 2019, fera de Poséidon la dernière piscine du CEA Saclay, où il sera possible d’observer l’effet Tcherenkov, rayonnement bleu caractéristique des particules qui se déplacent à une vitesse supérieure à celle de la lumière dans l’eau.

Le coeur de métier du Labra : la qualification nucléaire…

Laboratoire de recherche, le Labra permet au CEA de répondre à des problématiques R&D relatives au vieillissement et au comportement des matériaux au profit d’industriels et d’organismes de recherche de la filière nucléaire.

Le matériel utilisé en environnement nucléaire doit être qualifié pour garantir son fonctionnement dans les conditions nominales d’utilisation et dans des situations accidentelles définies : environnement radioactif, conditions climatiques extrêmes, sollicitations mécaniques importantes (en cas de séisme par exemple). Le Labra permet de simuler le vieillissement des matériaux soumis à des irradiations, en déposant en quelques semaines l’équivalent de plusieurs années d’irradiation en réacteur. Il permet également d’étudier le comportement des matériaux en situation accidentelle, en délivrant une dose importante en très peu de temps. Grâce à ces caractéristiques, le laboratoire participe à la qualification de matériels utilisés dans l’industrie nucléaire. Concrètement, le Labra définit avec le fournisseur du matériel les modalités d’irradiations. Ensuite, il soumet le matériel à des débits de dose pendant un temps donné et c’est enfin au fournisseur de vérifier le bon fonctionnement du matériel après irradiation.

Les qualifications de matériel représentent une part importante de l’activité du Labra et sont en augmentation. En effet, dans le contexte de prolongation du parc nucléaire français, EDF a besoin de documenter des études concernant les effets de l’irradiation sur des dispositifs tels que des vannes, moteurs de pompes, etc. Il doit aussi réaliser des études sur le vieillissement des matériaux puisque l’âge moyen des réacteurs de 900 MW est de 36 ans et qu’il est prévu de prolonger une partie du parc nucléaire français au-delà de 40 ans, voire jusqu’à 60 ans.

Autre projet majeur, la montée en puissance du projet de fusion ITER qui a besoin de qualifications sur une grande variété d’objets (vannes, clapets, etc.).

C’est aussi le cas, dans une moindre mesure, de la qualification de composants pour le réacteur de recherche Jules Horowitz [1], en construction sur le site de Cadarache. Ainsi, pour mener à bien ces dossiers, le nombre de plongées de l’enceinte Caline dans Poséidon, un des dispositifs d’irradiation de l’installation, devrait passer de quelques unités en 2019 à une dizaine à partir de 2020.

… et la radio-stérilisation

Le Labra réalise aussi la radio-stérilisation de dispositifs médicaux de type prothèses, ligaments artificiels, etc., contribuant à en garantir la sécurité et la qualité. L’opération de stérilisation de la momie de Ramsès II en 1977 dans l’irradiateur Poséidon reste un épisode particulièrement marquant pour le Labra.

Tour d’horizon sur les équipements

Le Labra est une Installation nucléaire de base (INB) identifiée sous le numéro 77 [2], exploitée par une équipe de neuf personnes.

Cette installation est organisée sous la forme d’un plateau technique composé de trois irradiateurs : Vulcain, Pagure et Poséidon. Ces équipements, en service depuis la création du Capri, permettent de couvrir une large gamme de débits de dose. Les irradiations sont réalisées soit avec des rayons gamma émis par des sources de cobalt 60 pour Pagure et Poséidon, soit par des électrons, à l’aide de l’accélérateur Vulcain de type Van de Graaff.

Poséidon est un irradiateur industriel de type piscine auquel est associée une enceinte immergeable, nommée Caline. Cet équipement est unique au monde. Il permet d’irradier de manière simultanée en casemate et en piscine avec l’enceinte Caline. Elle est entièrement étanche et offre la possibilité d’immerger jusqu’à 4,5 tonnes de matériel avec une température, dans le caisson, stabilisée à environ 70°C et une alimentation possible en fluides (gaz ou liquides). Avec environ 100 sources de Cobalt 60, stockées sous eau, pour une activité autorisée de 37 000 TBq, Poséidon peut délivrer un débit de dose dans la casemate de 1 à 10 kGy/h. Autrement dit, cet irradiateur industriel permet d’atteindre en quelques jours à quelques semaines des doses équivalentes à plusieurs dizaines d’années en fonctionnement normal des installations du parc nucléaire. Poséidon est utilisé pour réaliser les qualifications nucléaires, de la R&D et les opérations de radio-stérilisation.

Pagure est un irradiateur panoramique, d’utilisation flexible, principalement destiné aux essais de laboratoire et permettant de réaliser des irradiations à flux variables (de 1 Gy/h à 25 kGy/h) suivant la distance à laquelle se situe l’objet à irradier. Pagure est en effet équipé de neuf sources disposées sur une table en acier comportant des cercles gravés qui permettent de repérer la distance des échantillons au centre des sources. Il est ainsi possible de déterminer a priori l’intensité à laquelle ils seront irradiés. L’activité autorisée de 740 TBq, significativement plus faible que Poséidon, permet de dédier ce dispositif aux irradiations d’équipements spécifiques tels qu’utilisés dans le domaine du spatial ou pour la R&D.

Quant à Vulcain, il s’agit d’un accélérateur d’électrons de type Van de Graaff qui émet des électrons de 0,5 à 2,5 MeV (mégaélectronvolt) pour un débit de dose de l’ordre de 100 kGy/h et plus, selon la demande du client. Il permet de réaliser des irradiations sur des matériaux de faibles épaisseurs, tels que des revêtements de peinture, des joints d’étanchéité, des câbles électriques.

Un nouvel équipement pour fin 2019

Fin 2019, le Labra devrait accueillir un générateur de rayons X qui permettra des irradiations à des débits de doses variables (entre 10 et 250 Gy/h) et à des températures variables (entre la température ambiante et 150°C). Plus flexible que les autres installations du Labra en raison de sa plus faible capacité, cet irradiateur sera principalement dédié à la recherche sur la radiolyse (modification de la matière par l’action des rayonnements ionisants) de matériaux organiques dans des conditions spécifiques de débits de dose et de température.

Une installation sûre et performante

Comme toute installation nucléaire, le Labra doit garantir la sûreté de l’installation et la sécurité des personnes travaillant au sein du laboratoire. La principale fonction de sûreté de l’installation consiste à maintenir opérationnelles les protections biologiques que constituent les écrans assurant la radioprotection des opérateurs face aux sources de Cobalt 60. Pour Poséidon, il s’agit par exemple d’assurer en permanence le maintien d’une hauteur d’eau suffisante dans la piscine ou de garantir l’opérationnalité des chaines de sécurité qui pilotent l’ouverture et la fermeture des portes.

Une installation au service de la recherche

Conjointement à ses activités en soutien à l’industrie nucléaire, le Labra est également au service des chercheurs du CEA, ou d’autres organismes, qui utilisent l’installation pour répondre à des questions scientifiques concrètes.

Un premier exemple est donné dans le cadre du projet de stockage souterrain des déchets radioactifs Cigéo, où le Labra a participé à des études sur la corrosion des aciers du béton armé. La question était de savoir si le rayonnement causé par les déchets radioactifs confinés dans des coques de béton armé pouvait engendrer une oxydation des armatures en acier. En effet, l’eau contenue intrinsèquement dans le béton pourrait être radiolysée, c’est-à-dire décomposée par le rayonnement, et l’oxygène ainsi relâché pourrait alors à son tour attaquer l’acier du béton. Les expériences menées au Labra ont pu montrer que la radiolyse de l’eau ne présentait pas de risque accru de corrosion des armatures métalliques.

Un autre exemple concerne un détecteur de muons du CERN pour lequel les installations du Labra ont été sollicitées afin de déterminer si l’irradiation de ce matériel en améliorerait le rendement. L’étude est en cours. Le Labra est une installation recherchée pour l’industrie nucléaire dans un contexte de prolongation du parc actuel et des nouveaux besoins générés par le projet ITER ou le RJH. Il répond particulièrement aux problématiques de sûreté, en vérifiant que le matériel résistera à des situations accidentelles. Il est également une installation précieuse pour les chercheurs qui disposent de moyens performants et flexibles pour mener à bien leurs expérimentations. La coexistence au sein de cette plate-forme de programmes de recherche et d’irradiations à vocation industrielle garantit cette synergie, qui fait depuis toujours la force du CEA, « De la recherche à l’industrie » étant l’ADN de l’organisme.

Photo : Sources de cobalt 60 (rayons gamma) immergées en stockage dans la piscine de Poséidon – © Philippe Stroppa