Laboratoire d'accueil : Laboratoire de Radioécologie de Cherbourg-Octeville (LRC)

Date de début de thèse : 02/11/2009

Nom du doctorant : Pierre Roupsard

Contexte et Intérêt

L'espace urbain regroupant plus de 70% de la population dans la plupart des pays développés, l'étude des conséquences radiologiques d'une contamination de ce milieu constitue aujourd'hui un enjeu majeur de l'évaluation des risques en situation accidentelle et post-accidentelle.
Dans le cas hypothétique d'un incident, d'un accident ou d'un acte de terrorisme impliquant des radionocléides sous forme de gaz ou d'aérosols en milieu urbain, il est important pour l'IRSN de pouvoir avoir une bonne évaluation des transferts des radionucléides dans l'ensemble de l'écosystème urbain afin d'en prévoir l'impact sur les populations et l'environnement. Par exemple, en considérant un accident sur un réacteur nucléaire à eau pressurisée avec rejet externe vers une ville, Il est prévu une phase accidentelle et une phase post-accidentelle.
Dans la phase accidentelle, les modèles devront être de mieux en mieux validés pour évaluer:

• les activités dans l'atmosphère et dans les habitats ;
• les débits de dose dans et à l'extérieur du panache.

De même. dans la phase post-accidentelLe. les modèles devront disposer de meilleures données de validation pour calculer:

• Les activités déposées par dépôts sec et humide sur les divers substrats du milieu urbain (sol. mur. toit, etc...) ;
• Les droits de dose dus aux dépôts.

De plus, au niveau national et international, le milieu urbain a êté peu étudié par rapport aux milieux naturels et surtout il n'a pas été considéré dans sa globalité comme un ecosystème.
La connaissance de l'importance relative du dépôt sur les différentes surfaces de l'espace urbain demande à être affinée car elle peut être la source d'erreurs signfficatives dans les calculs visant à prédire l'exposition externe reçue par la population résidant dans la zone contaminée (European Commission. 1991 ; Kelly et al., 1990). En effet, il existe des incertitudes de plusieurs ordres de grandeur sur la quantification des dépôts (Roed and Andersson, 2000).
Cette thématique traitée dans le cas d'un problème nucléaire peut aisément être transposable à des problématiques liées au chimique ou au biologique.
Depuis plusieurs années. le LRC a acquis des compétences sur l'étude expérimentale des transferts atmosphériques (dispersion atmosphérique et physique des aérosols), a participé et participe à de nombreux projets sur la thématique de la dispersion atmosphérique et sur les transferts des gaz et des aérosols. Ces projets ont été menés et sont menés en collaboration interne IRSN (DSU/SERAC, DPAM/SEMlC, DEI/SESUC, DEI/STEME, DEI/SERURE....) et en collaboration externe avec le CORIA/Rouen, l'ECN/Nantes, la Marine Nationale, le CSTB/Nantes, l'INRA/Bordeaux...., avec des financements diverses comme AREVA NC, EDF, VEOLIA Environnement, l'Agence de l'Eau Seine Normandie, l'ADEME, la Région Basse Normandie... Les travaux du LRC ont été valorisés par des publications dans des revues à comité de lecture, dans des congrès ou lors de conférences. Ces travaux ont aussi donné lieu à un brevet.

Objectif

Du fait que les dépôts en milieu urbain ont été très peu étudies, l'objectif de la thèse est d'évaluer les transferts des aérosols. qui peuvent être porteurs de nombreux polluants (radionucléides, métaux. HAP...), lors d'épisodes météorologiques secs puis humides. Ce projet devra quantifier les dépôts secs sur différentes surfaces (toit, mur, sol) puis le lessivage de ces dépôts par la pluie. La granulometrie des aérosols êtudiés correspondra à la granulométrie des aérosols susceptibles d'être émis lors d'un accident grave pouvant survenir sur un réacteur à eau pressurisée. c'est à dire compris entre 0.1 pm et 1 pm (données projet PHEBUS PF).
Enfin, Les résultats de la thèse devront permettre de hiérarchiser les phénomènes et les paramètres à prendre en compte dans les modèles et, en particulier, dans les modèles opérationnels utilisables lors d'une gestion de crise à l'IRSN.

Méthode

Elle repose â la fois sur des expérimentations de courte durée et sur des expérimentations de longue durée.
les expérimentations de courte durée (génératlon d'aérosols monodispersés de fluorescéine) serviront à étudier les différents processus de dépôt sec en fonction de divers paramètres comme la température des substrats, la turbulence atmosphérique... Les expérimentations de longue durée (utilisation des aérosols de béryllium 7 atmosphérique) serviront à étudier les phénomènes de dépôt sec et de lessivage dans leur gtobalité. Les expérimentations de courte durée se dérouleront au laboratoire de radioécologie de Cherbourg-Octeville et les expérimentations de longue durée à Nantes sur le Site Atelier Pilote (SAP). Le principe du SAP est d'Instrumenter de manière perenne et multidisciplinaire, avec participation de nombreux laboratoires, un site pour acquérir de longues séries temporelles dans différentes disciplines scientifiques.
Il est donc proposé d'étudier les dépôts et le lessivage sur les surfaces suivantes :

• tuile et ardoise qui sont représentatifs des toitures ;
• verre, enduit de façade, plastique qui sont représentatifs des surfaces verticales ;
• bitume qui est représentatif des chaussées.

Expérimentations de courte durée: étude de la phénoménologie des dépôts

Les expérimentations de courte durée (1 heure) vont permettre d'étudier la phénoménologie du dépôt sec afin de le quantifier en fonction des différents paramètres environnementaux.

Etude du dépôt sec
Le dêpôt sec des aérosols est caractérisé par une vitesse. La vitesse de dépôt dont la dimension est celle d'une vitesse (m.s-1 ), est le rapport entre la densité de flux de depôt sec sur le substrat μg.m-2.s-1 et de la concentration atmosphérique au niveau du substrat (μg.m-3). La technique utilisée pour accéder aux vitesses de dépôt sec des aérosols sur différents substrats reposent sur l'émission dans l'atmosphère d'un aérosol sec mono-dispersé de fluorescéine (uranine) dont une partie se dépose et dont les concentrations sont mesurées dans l'air et sur les substrats étudies. Après extraction de la fluorescéine des différents supports, la mesure de la concentration est réalisée par spectrofluorimétrie. Il est prévu de réaliser plusieurs expérimentations afin de déterminer la vitesse de dépôt sec des aérosols en fonction de La granulométrie des aérosols émis, de la nature du substrat, de la température du substrat et des conditions micro-métréorotogiques, principalement la turbulence atmosphérique.

Expérimentations de longue durée : étude des proccessus de dépôt dans leur globalité

Les expérimentations de longue durée permettront de quantifier le dépôt sec et le lessivage par la pluie dans leur globalité sur une longue période (2 ans) au niveau du SAP. Elles sont donc complémentaires des expérimentations de courte durée. Des substrats identiques aux substrats des expérimentations de courte durée seront utllisés. Le 7Be, un radionucléide naturel présent dans l'air, servira de traceur des dépôts secs, humides et du lessivage. Le 7Be est un isotope naturellement produit dans la stratosphère, et qui se fixe principalement sur des particules fines, de l'ordre de 0,5 μm. La granulométrie précise sera déterminée a l'aide de prélèvements réalisés avec un impacteur basse pression.

Etude du dépôt sec
les diffénts substrats seront mis en place sur le SAP, protégés de la pluie et exposés au 7Be atmosphérique pendant des périodes d'un mois. La méthode consiste à mesurer le 7Be sur les éprouvettes représentatives des toits, des murs et des chaussées. Après avoir été retirés du SAP, les échantillons seront traités le plus rapidement possible car la période radioactive du 7Be est de 54 jours. le 7Be sera extrait des différents échantillons par lavage à l'eau acidifiée.
L'eau de lavage sera ensuite mesurée par spectrométrie gamma dans un laboratoire à bas bruit de fond.
Parallèlement, des prélèvements d'aérosols atmosphériques seront réalisés sur filtres. Les filtres seront conditionnés en géométrie spécifique pour mesurage de la concentration en 7Be par spectrométrie gamma. La masse de dépôt sec sera alors le rapport entre la concentration de 7Be déposée et la concentration de 7Be dans l'air. Ce type d'expérimentation permettra d'obtenir une évolution mensuelle de la vitesse de dépôt sec des aérosols sur le SAP par type de substrat pendant une période de deux ans.

Etude du lessivage des substrats

Le lessivage des substrats par la pluie sera aussi quantifié à l'aide du 7Be. En effet, il est prévu de mettre en place sur le SAP une série d'éprouvettes non protégées de la pluie et de placer sous ces éprouvlettes des collecteurs afin de pouvoir récupérer l'eau de pluie. La fraction de 7Be lessivée sera obtenue par différence entre la concentration dans l'eau de pluie et dans l'eau de lessivage.