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Élaboration d'un modèle numérique de l’irradiateur POSEIDON pour sa qualification en radiostérilisation au Co-60

Informatique et logiciels Mathématiques - Analyse numérique - Simulation Sciences pour l’ingénieur

Résumé du sujet

Le CEA/Saclay dispose d’irradiateurs gamma au 60Co dédiés à la réalisation de prestations d’irradiation à façon, d’une part, pour le CEA dans le cadre de ses propres études de R&D, et d’autre part, pour les industriels des secteurs de l’électronucléaire, de la défense, de l’électronique, du spatial et de la santé.

Dans le domaine plus particulier de la santé, un irradiateur est employé pour radiostériliser, i.e. inactiver les contaminants microbiologiques (comme les bactéries, virus, microbes, spores) par rayonnements ionisants, de dispositifs médicaux tels que des prothèses de hanche, des vis ou plaques orthopédiques, pour le compte de leurs fournisseurs. Le grand intérêt de la stérilisation par rayonnements gamma, comparativement aux autres alternatives de stérilisation (au gaz ou à froid par immersion dans des produits chimiques liquides), est que les dispositifs médicaux n’ont pas à être extraits de leur carton et/ou de leur sachet étanche ; ils sont traités directement au travers de leur emballage.

La radiostérilisation de dispositifs médicaux présente un haut niveau d’exigence, en accord avec les prescriptions des normes ISO 13485 et ISO 11137. D’une part, les doses délivrées ne doivent être ni trop faibles, pour assurer la stérilité des produits, ni trop fortes, pour ne pas altérer leur intégrité. D’autre part, trois étapes de qualification sont nécessaires afin de garantir la validation des procédés de stérilisation par irradiation. Les deux premières, dites d’installation et opérationnelle, ont respectivement pour but de démontrer que l’équipement de stérilisation est installé conformément à ses spécifications et fonctionne correctement en délivrant des doses appropriées dans les limites de critères d’acceptation définis. La qualification opérationnelle consiste plus particulièrement à caractériser l’irradiateur en termes de distribution et de reproductibilité de la dose, en considérant les volumes à irradier remplis d’un matériau homogène, de masses volumiques enveloppes représentatives des produits à traiter. Enfin, la troisième étape de qualification, dite des performances, doit démontrer, spécifiquement pour les produits médicaux à traiter, que l’équipement fonctionne de façon constante, conformément aux critères prédéterminés, et délivre des doses comprises dans la plage des doses spécifiées, donnant par conséquent un produit qui satisfait à l’exigence spécifiée pour la stérilité.

De manière générale, les cartons à irradier sont, selon les fournisseurs, remplis de divers produits médicaux différents et correspondent ainsi à un large éventail de tailles et de poids. Il convient par conséquent d’examiner les effets, sur la distribution spatiale de dose, de toutes les configurations possibles de chargements des produits, y compris pour différents taux de remplissage des balancelles, contenant les cartons, du convoyeur dynamique de l’irradiateur. Enfin, il est à noter que les processus de qualifications doivent être réitérés suite à toute modification susceptible d’affecter la dose ou la distribution de dose, et donc à chaque réapprovisionnement des sources. Ces processus sont actuellement réalisés exclusivement par mesures, à l’aide d’une multitude de dosimètres pertinemment répartis au sein et en surface des emballages.

Le Laboratoire des Rayonnements Appliqués (DRMP/SPC/LABRA), en charge de l’irradiateur gamma POSEIDON dédié à la radiostérilisation de matériels médicaux au CEA/Saclay, souhaite disposer d’un outil numérique permettant de réaliser par simulations ces processus de validation. Un des intérêts majeurs attendus par l’utilisation de cet outil est de réduire considérablement les durées d’indisponibilité de l’irradiateur POSEIDON, imposées par les phases expérimentales de validation.

Le sujet de thèse proposé a pour objet la mise en œuvre d’un modèle numérique de l’irradiateur POSEIDON permettant de reproduire par simulations les phases de validation, aussi rapidement que possible, tout en assurant l’exactitude des résultats, à la précision souhaitée. Ce travail sera effectué dans le laboratoire DM2S/SERMA/CP2C (CEA/Saclay), spécialisé entres autres dans les études de radioprotection par simulations numériques, avec des échanges réguliers avec le LABRA.

Ainsi, le sujet de la thèse, découpé en trois étapes, explorera une approche de validation alternative à celle réalisée expérimentalement :

• La première étape aura pour objet le développement d’un modèle numérique de l’irradiateur POSEIDON intégrant le caractère dynamique des traitements de radiostérilisation. Ce modèle numérique reposera sur une méthodologie de calcul qui sera arrêtée au cours de la thèse (méthode Monte-Carlo ou déterministe), avec un compromis entre la qualité des résultats obtenus et la rapidité d’exécution des calculs. Pour cette étape, le code de transport des rayonnements dans la matière de type Monte-Carlo TRIPOLI-4® sera utilisé comme référence avec des comparaisons réalisées à l’aide d’autres outils numériques tels que MCNP®, PENELOPE, GEANT4, NARMER-1, etc. ;

• La deuxième étape portera successivement sur la validation du modèle numérique retenu par confrontation à des mesures expérimentales, à définir et à réaliser au cours de la thèse, et sur son application au calcul des processus de qualification opérationnelle et des performances pour différentes familles de cartons de fournisseurs. Concernant la validation des calculs, l’instrumentation utilisée pour les mesures de doses gamma sera modélisée numériquement et analysée, en considérant tous les phénomènes physiques en jeu concernant la dose absorbée (doses photons et électrons). L’objectif est de consolider les comparaisons calculs/mesures pour les expériences réalisées au cours de la thèse.

• Enfin, la dernière étape concernera l’analyse de l’apport du modèle numérique par rapport à l’approche expérimentale. Cette approche calculatoire nécessitera néanmoins d’être optimisée en termes de temps de calcul afin notamment d’en faciliter les analyses de sensibilité à réaliser.

Au cours de thèse, diverses voies de recherches seront investiguées telles que l’amélioration de la modélisation des réflexions lors du transport des photons dans un milieu fermé (casemate de l’irradiateur PAGURE ; utilisation de techniques de deep learning pour les codes déterministes), la mise en œuvre de géométries stochastiques pour modéliser le contenu des cartons, et l’amélioration des algorithmes pour réduire les durées de calcul.

Laboratoire

Département de Modélisation des Systèmes et Structures
Service des Réacteurs et de Mathématiques Appliquées
Cellule Pôle de Compétences Criticité
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