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Host laboratory: Study of sub-surface migrations laboratory (LT2S)

Beginning of the thesis: October 2015

En France, l'extraction d'uranium a concerné 241 sites, entre 1948 et 2001. Même plusieurs dizaines d'années après le réaménagement de ces sites, l'uranium et ses descendants continuent à être disséminés en aval de ces sites miniers, dans les eaux et les sédiments. Plusieurs études ont montré que les activités en radionucléides de la série de l'uranium 238 dans les sédiments de plans d'eau naturels ou artificiels situés en aval de sites miniers, pouvaient être significativement supérieures à celles mesurées en amont. Une implication importante de ces observations réside dans le fait que le piégeage de l'uranium dans les sédiments de ces retenues d'eau peut favoriser la réduction des concentrations en radionucléides dans les eaux de surface. Ces sédiments enrichis en radionucléides peuvent alors constituer des termes-sources secondaires de contamination du milieu naturel ; ils doivent donc être intégrés aux études d'impact environnemental et sanitaire des anciens sites miniers d'uranium.

Les mécanismes régulant le piégeage de l'uranium dans les sédiments sont encore mal connus à l'heure actuelle. Ils dépendent fortement de l'évolution des phases minérales porteuses des radionucléides pendant et après le dépôt, lors de la diagénèse précoce des sédiments. Dans les conditions de diagénèse anoxique, la réduction des espèces solubles de l'U(VI) en des espèces moins solubles d'U(IV) conduit fréquemment à une diminution des concentrations en U dans la phase dissoute. Les minéralisations sédimentaires d'uranium sont classiquement associées à des paléo-environnements anoxiques dans lesquels l'uranium est essentiellement associé à des sédiments riches en matière organique. Des études de laboratoire ont montré que des minéraux très insolubles de U(IV) tels que les nano-uraninites (nano-UO₂) peuvent se former lors de la bioréduction microbienne de U(VI) en conditions anoxiques.

L'étude de sédiments lacustres que nous menons dans le cadre du projet USEDIM, porté par l'IRSN et soutenu par le défi CNRS Needs-Environnement, a récemment mis en évidence d'autres formes chimiques de U(IV) qui pourraient également être responsables du piégeage de l'U dans les sédiments, en aval de l'ancien site minier d'uranium des Bois Noirs. Ces résultats sont à rapprocher avec d'autres travaux récents qui suggèrent la présence de formes d'U(IV) autres que l'uraninite dans les aquifères et les sédiments, telles que l'U(IV) associé à la pyrite, des complexes phosphatés de l'U(IV) associés à la biomasse microbienne ou aux matières organiques. Certaines de ces formes issues de la bioréduction de l'uranium sont susceptibles de jouer un rôle majeur dans l'immobilisation de l'uranium dans les sédiments contaminés. Leur identification est essentielle pour modéliser l'évolution à long-terme de ces systèmes. Ces connaissances sur les phases porteuses d'uranium sont indispensables pour évaluer la pertinence des scénarios de gestion de sédiments radiocontaminés.

Le devenir à long-terme de l'uranium dans les zones d'accumulation de dépôts sédimentaires en aval de mines d'uranium est une préoccupation importante, inscrite comme axe prioritaire d'étude dans le cadre du Plan National de Gestion des Matières et Déchets Radioactifs (PNGMDR) 2013-2015, pour une meilleure gestion des anciens sites miniers d'uranium.

L'objectif de ce travail de thèse est de modéliser dans le temps l'évolution des processus physico-chimiques, qui limitent la solubilité de l'uranium après le dépôt du sédiment. Cette modélisation hydrogéochimique, basée sur des codes géochimiques existants, s'appuiera sur des données de mesures de terrain et de laboratoire, incluant l'analyse spectroscopique de la spéciation de l'uranium dans les solides et l'analyse chimique des eaux porales.

Les résultats de cette modélisation permettront, d'une part, d'expliquer la chimie des eaux interstitielles au contact des sédiments et d'identifier les minéraux contrôlant la solubilité de l'uranium. D'autre part, la simulation dans le temps des mécanismes réactionnels permettra d'estimer l'évolution de la minéralogie du sédiment en conditions naturelles, au fur et à mesure de son enfouissement.

Ainsi, la pérennité du piégeage de l'uranium dans ces dépôts sédimentaires ou son éventuelle remobilisation vers les eaux porales et la colonne d'eau lacustre pourront être estimés.

Les résultats obtenus permettront de mieux anticiper la mobilité de l'uranium lors de changements de conditions physico-chimiques des sédiments. À titre d'exemple, au cours d'opérations de curage, la composition minéralogique du sédiment peut être modifiée suite au contact avec l'oxygène de l'air et à l'altération météorique. Ces connaissances contribueront à valider le choix de différents traitements ou méthodes de remédiation, tels que les curages. Ces informations peuvent également contribuer à la définition de normes de qualité environnementale spécifiques pour le compartiment sédimentaire, critère de protection des organismes vivants dans les sédiments d'eau douce.

Un résultat majeur de ce travail de thèse concernera l'identification des mécanismes d'immobilisation de l'uranium au fur et à mesure de l'enfouissement du sédiment sous conditions anoxiques. Les résultats de cette thèse permettront une meilleure connaissance de l'environnement des sites et seront utiles à l'IRSN dans le cadre de ses travaux d'expertise sur l'impact environnemental et sanitaire des anciens sites miniers d'uranium. Le projet s'inscrit dans le cadre des travaux de recherche sur les transferts dans la géosphère de surface en milieu continental. Les résultats obtenus pourront par la suite servir de base à l'évaluation des impacts des installations de stockage accueillant des sédiments de curage de plans d'eau (exemple du site de stockage de Bellezane), en ajoutant la prise en compte éventuelle d'une zone oxydante non saturée en eau.

Ce travail de thèse permettra ainsi d'améliorer les connaissances sur les mécanismes de transfert de l'uranium dans les sédiments lacustres immédiatement après le dépôt du sédiment et son évolution au cours du temps. Ces connaissances sont indispensables pour évaluer la pertinence des voies de gestion des sédiments lacustres contaminés en radionucléides comme l'uranium.

Volet terrain : Le site d'étude choisi est un plan d'eau artificiel, le lac de Saint-Clément, situé à environ 20 kilomètres en aval de l'ancienne mine d'uranium des Bois Noirs dans le Massif Central. Les sédiments de fond de cette retenue présentent un marquage en uranium compris entre 50 et 400 mg.kg^-1 dans la phase solide. Le modèle de comportement de l'uranium élaboré à partir de l'étude des sédiments du lac de Saint-Clément sera ensuite testé sur des sédiments contaminés en aval d'autres anciens sites miniers uranifères, comme dans le lac de Saint-Pardoux dans la région Limousin. Les sédiments de ce plan d'eau ont en effet présenté par le passé des activités en uranium de près de 25000 Bq.kg^-1. Ces dernières années, les aménagements des stations de traitements des eaux d'exhaure minière en amont de ce lac ont permis de réduire les teneurs en uranium dans ces sédiments. Ces valeurs restent aujourd'hui encore significatives (jusqu'à 4000 Bq.kg^-1). L'étude de ces sédiments permettra éventuellement de prendre en compte d'autres mécanismes d'immobilisation de l'uranium dans la modélisation, qui n'auraient pas été rencontrés dans les sédiments prélevés dans le lac de Saint-Clément. Ce premier volet sera consacré aux prélèvements des eaux interstitielles et de la phase solide des sédiments lacustres, sous atmosphère inerte, afin de préserver l'état d'oxydation de ces phases solides et dissoutes, selon des procédures maîtrisées par les équipes participant au projet. Des micro-préleveurs permettront de collecter les eaux interstitielles pour des analyses de concentration en uranium, d'éléments traces et majeurs et de paramètres physico-chimiques (oxygène dissous, pH). Ce volet permettra au doctorant d'acquérir de solides connaissances pratiques et une bonne expérience sur la conduite de missions de prélèvements in situ d'eaux et de solides et d'analyses chimiques des eaux sur le terrain.

Volet expérimental/laboratoire : Au laboratoire, le doctorant sera chargé des analyses des eaux et des solides prélevés. Il participera à l'acquisition des données sur les paramètres chimiques majeurs et sur les éléments traces dans les eaux. Dans les phases solides, la spectroscopie d'absorption des rayons X sur rayonnement synchrotron (EXAFS, XANES) pour laquelle l'IMPMC présente une expertise reconnue sera mise en œuvre par le doctorant pour mesurer l'état redox de l'uranium et du fer. Ces analyses permettront également de déterminer à l'échelle moléculaire les phases porteuses de l'uranium. Elles seront complétées par des microanalyses ponctuelles plus classiques (Microscopie Electronique à Balayage couplée à la spectrométrie EDX). Mises en relation avec les teneurs en uranium dissous, ces données de spéciation permettront d'identifier l'évolution des phases porteuses d'uranium après le dépôt et leur influence sur la solubilité de l'uranium.

Les dépôts sédimentaires seront également datés à l'aide de mesures d'activités en radionucléides naturels et artificiels par spectrométrie gamma, à l'aide d'une technique originale. Ces datations donneront accès à des informations sur la pérennité des processus de piégeage de l'uranium sur plusieurs dizaines d'années dans les sédiments lacustres.

Volet modélisation : Le travail de modélisation permettra, en premier lieu, de simuler l'évolution des concentrations en uranium dans les eaux porales en fonction des conditions physico-chimiques (pH, oxygène dissous), qui seront déterminées sur le terrain. Le modèle sera réalisé à l'aide de codes de spéciation (Phreeqc, Chess). Il intégrera comme paramètres d'entrée les résultats des mesures de minéralogie et de spéciation de l'uranium dans les sédiments. Le modèle sera ensuite validé en regard des compositions chimiques mesurées dans les eaux interstitielles à différentes profondeurs dans la colonne sédimentaire. Enfin, la simulation du transport de l'uranium dans le temps dans la colonne sédimentaire sera réalisé à l'aide d'un code couplé chimie-transport adapté.