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Évolution de la contamination en radionucléides de la zone d’exclusion de Tchernobyl : de la tranchée T22 à l’échelle du bassin versant

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Laboratoire d'accueil : Laboratoire d'étude des transferts en sub-surface (LT2S)

Date de début de thèse : janvier 2013

Nom du doctorant : Huong liên Nguyen

Descriptif du sujet

 

Contexte

 

L’accident de la centrale nucléaire de Tchernobyl a eu lieu le 26 avril 1986. Cette explosion a relâché plus de 13 000 PBq de radionucléides dans l’atmosphère. L’année suivante des tranchées ont été creusées afin d’y enfouir les déchets de l’explosion : sols contaminés, végétaux, et/ou divers matériaux issus des travaux de démolition. Les premiers inventaires de ces tranchées ont été réalisés en 1990 par la DDC (Department of Dosimetric Control of the Research and Industrial Association "Prypiat" ; Dhzepo et al., 1994). Dans la zone de la "forêt rousse", plusieurs kilomètres carrés de forêt de pins morts suite à l’exposition et aux radiations excessives, ont en particulier été coupés et enterrés dans ces tranchées (Smith and Beresford, 2005). Les investigations complémentaires conduites de 1991 à 1993 ont permis d’identifier une soixantaine de tranchées dans cette zone et plus de 8 décharges (Dhzepo et al., 1994). D’après les estimations effectuées sur la base des données existantes, parmi toutes les zones de tranchées, la zone de la forêt rousse contient le volume de déchets (500 x 103 m3) et l’activité totale (4 x 1014) les plus élevés. Les activités spécifiques des déchets estimées dans cette zone au début des années 90 sont d’environ 105 à 106 Bq.kg-1 pour le 137Cs et le 90Sr et environ 103 à 104 Bq.kg-1 pour les isotopes du Pu. Compte-tenu du niveau d’activité de ces radionucléides (RN) à vie longue, le risque radiologique potentiel dans cette zone est donc particulièrement élevé (IRSN, 2011). Toutefois, les travaux de modélisation des transferts souterrains entrepris à l’échelle de la zone d’exclusion (Bugai et al., 1996 ; Shestopalov et al., 2002) tendent à indiquer que les tranchées ne représentent pas le risque le plus significatif d’export de la contamination en dehors de la zone d’exclusion. En effet d’après ces auteurs, les eaux souterraines contaminées en aval des tranchées ne contribuent pas de manière significative à la détérioration de la qualité des eaux de surface qui seraient avant tout impactées par la remobilisation superficielle en période de crue et/ou de fonte des neiges des RN piégés dans les sédiments de la plaine d’inondation.


De ce fait, comme les tranchées ne représentent pas un risque sanitaire élevé vis-à-vis des populations habitant en aval de la zone d’exclusion, l’amélioration de la caractérisation de ces sources n’a pas été jugée prioritaire. Cependant, dans les années à venir, les autorités ukrainiennes souhaiteraient reconquérir les territoires aujourd’hui abandonnés dans la zone d’exclusion. Dans un tel contexte, l’estimation des risques liés aux transferts souterrains de radionucléides en direction des eaux de surface depuis ces sources qualifiées de "diffuses" (par opposition aux sources ponctuelles bien localisées que sont le sarcophage de l’ancien réacteur ou le cooling pond de la centrale) nécessite d’être précisée et vérifiée. Les modèles de transport réactif des RN contenus dans les tranchées et leur impact sur les eaux souterraines (contamination), qui ont été réalisés lors de précédentes études (Bugai et al., 2005 ; Bugai et al., 2012 ; Kashparov et al., 2012), ont comme principale limite de ne pas intégrer les incertitudes liées à la variabilité spatiale des paramètres majeurs que sont :

  • les stocks de radionucléides,
  • la recharge de l’aquifère superficiel,
  • les propriétés hydrodynamiques (porosité, perméabilité) des formations aquifères ainsi que les paramètres du transport non réactif (diffusivité) et réactif (coefficient de partage sol-eau, Kd).


De nombreuses données relatives aux tranchées et à la zone d’exclusion ont toutefois été acquises depuis près de 20 ans et pourraient être valorisées pour tenter d’estimer les incertitudes qui pèsent sur la quantification des transferts depuis ces termes sources.


Le sujet de thèse proposé vise donc à améliorer ces estimations en intégrant par une approche stochastique les incertitudes liées à la variabilité spatiale des paramètres majeurs qui pourraient être déduites soit (i) des mesures disponibles dans les bases de données existantes, soit (ii) de campagnes de terrain spécifiquement dimensionnées dans le cadre de cette thèse.


Depuis 1999, l’IRSN en collaboration avec deux instituts ukrainiens (UIAR of NuBiP, IGS) étudie dans la zone de la Forêt Rousse, l’impact d’une de ces tranchées sur l’environnement : la tranchée T22 (EPIC : Experimental Platform In Chernobyl) située à 2,5 km de la centrale nucléaire de Tchernobyl. Elle est orientée perpendiculairement au sens d’écoulement général de la nappe, ce qui permet d’observer la contamination des radionucléides dans l’aquifère superficiel sous-jacent à l’aide d’un large réseau de piézomètres installé sur le site. Cette tranchée a permis d’acquérir un grand nombre de données qui sont stockées dans la base de données "Chernobyl" disponible à l’IRSN. Les panaches de radionucléides (en particulier 90Sr et 137Cs) observés dans la nappe ont une extension de quelques dizaines de mètres. Cette extension limitée a confirmé les conclusions des précédents travaux de modélisation à l’échelle de la zone d’exclusion, qui soulignaient la contribution mineure de la zone des tranchées (située à au moins 500 m. de la rivière Pripiat ou à un de ces affluents) pour la contamination du réseau hydrographique. Les différents programmes de recherche entrepris jusqu’à ce jour par l’IRSN se sont toutefois attachés principalement à décrire et modéliser le transfert des radionucléides à partir de cet unique terme source que représente la tranchée T22 (IRSN, 2011) et ne tiennent pas compte de l’effet cumulatif attribuable à l’ensemble des tranchées présentes sur la zone.


Une analyse variographique (Grenier & Mouche, 2001) des données de perméabilité acquises sur ce site pilote et un site analogue sans tranchée (Pripiat Zaton) a permis de caractériser par une approche géostatistique la structure spatiale de ce paramètre (de l’échelle du cm au m) au sein des deux formations géologiques dans lesquelles l’aquifère superficiel circule (les sables éoliens et les alluvions quaternaires). Toutefois, la prise en compte de cette variabilité spatiale n’a jamais été intégrée à un modèle d’écoulement pour estimer les incertitudes qui en découlent. De plus, l’exploitation des différentes bases de données fournies par les partenaires ukrainiens (IGS, UIAR of NuBiP, Ecocenter) permettrait d’étudier la variabilité de ce paramètre sur une plus grande échelle d’espace et de simuler les écoulements souterrains au sein de l’aquifère le plus superficiel sur l’ensemble de la zone la plus contaminée (cf. la carte du dépôt aérien de strontium) dans la zone d’exclusion. Cette zone représente environ 1/3 de la zone d’exclusion.


Par ailleurs, la question majeure qui se pose aujourd’hui est d’estimer la représentativité de la tranchée T22 et de son stock de radionucléides par rapport à l’ensemble des autres tranchées présentes dans la zone d’exclusion. Une analyse géostatistique de la distribution du 137Cs (IRSN 2003, Bugai et al. 2005, Kashparov et al. 2012) a permis d’étudier la structure spatiale 3D des concentrations massiques de ce radionucléide et ainsi d’interpoler sur l’ensemble du volume que représente la tranchée T22 ce paramètre avec une erreur d’estimation moyenne d’environ 30 %. Il serait nécessaire de vérifier si cette hétérogénéité et le stock de radionucléide qu’il est possible d’en déduire sont équivalents sur les autres tranchées de la forêt rousse et également sur celles qui contiennent des déchets significativement différents (résidus de l’explosion, matériaux contaminés, etc.) dans la zone d’exclusion. Comme il ne sera pas possible de caractériser en 3D toutes les tranchées de la forêt rousse de la même manière que la tranchée T22 pour des raisons techniques et financières évidentes, l’approche retenue dans le cadre de cette thèse consistera à comparer le rayonnement observé en surface de la tranchée T22 à celui observable sur différentes tranchées de la zone d’exclusion préalablement sélectionnées en fonction de leur inventaire, de leur accessibilité et des concentrations en radionucléides mesurées dans la nappe à leur aval. Différentes techniques de mesures radiamétriques in situ non destructrices pourraient être déployées, telles que (i) des mesures à l’aide de compteur Geiger-Müller afin d’avoir les niveaux des émetteurs bêta et des émetteurs gamma et (ii) des mesures d’activité massique/surfacique d’émetteurs gamma par spectrométrie gamma in situ à l’aide d’un détecteur germanium portable (Panza, 2012). Chacune de ces méthodes est basée sur une modélisation sous-jacente et donc sur des hypothèses relatives à la profondeur, l’homogénéité ou le type d’émetteurs impliqués dans le rayonnement mesuré en surface.


Comme l’IRSN dispose d’outils et de techniques spécifiquement adaptés à l’estimation de l’activité des émetteurs gamma (en particulier le 137Cs), les méthodes spectrométriques seront tout particulièrement déployées pour tenter de comparer le signal émis en surface par la tranchée T22 (pour laquelle la distribution en 3D des activités massiques en 137Cs est déjà connue, cf. Figure 1) à celles des autres tranchées. Les méthodes géostatistiques seront exploitées pour caractériser la structure spatiale de ces mesures, la comparer à celle de la tranchée T22 et simuler sur l’ensemble de la zone d’exclusion différentes distributions spatiales équiprobables de 137Cs. Moyennant certaines hypothèses sur la mobilité relative du strontium par rapport au césium, des cartes de différents termes sources équiprobables pourront ainsi être générées et exploitées dans un modèle d’écoulement et de transport. Cette approche demandera la prise en main d’un code numérique tel MELODIE (IRSN, 2002), MODFLOW-MT3D (Harbaugh, 2005) voire HYTEC (van der Lee et al., 2003), pour construire ce modèle.


À partir des données disponibles sur l’ensemble de la zone d’exclusion (bases de données IGS et Ecocenter) et sur la tranchée T22 (base de données IRSN), des simulations géostatistiques pourront également être effectuées pour générer différents champs équiprobables de paramètres hydrauliques (perméabilité, porosité, recharge) ou du transport réactif (Kd, etc.). Il est également envisagé de mesurer en différents points de la zone d’exclusion les concentrations en tritium et hélium dissous dans la nappe afin de disposer d’information sur le comportement d’un RN supposé non réactif ainsi que sur les temps de résidence des eaux souterraines. Ces différents jeux de données d’entrée seront combinés aléatoirement dans une approche de type Monte-Carlo pour propager dans la modélisation les incertitudes inhérentes à la variabilité spatiale de ces paramètres. L’objectif sera de comparer les performances relatives de ces différentes simulations (obtenues en combinant les différents jeux de données simulées géostatistiquement) en termes de concentrations simulées dans la nappe et aux exutoires.


Il est toutefois important de noter que la modélisation des transferts des RN dans la zone considérée est un exercice complexe en raison de sa morphologie et de sa couverture végétale qui a fortement évoluée depuis l’accident. À titre d’exemple, il a pu être démontré que plus de 25 ans après l’accident, à l’aplomb de la tranchée T22, la reprise du 90Sr par évapotranspiration des pins est aujourd’hui au moins égale au flux qui s’infiltre en direction des eaux souterraines (Thiry et al., 2009). La réduction de ce flux vertical est également favorisée par l’augmentation de la teneur en matière organique dans les sols à mesure que se développe le couvert végétal, ce phénomène a en effet pour conséquence d’augmenter la capacité du sol à retenir les RN par sorption (Bugai et al., 2012). Par ailleurs, la topographie très plate de la zone d’exclusion amplifie le rôle hydrologique des légères dépressions topographiques qui tendent à former des zones d’infiltration préférentielle où des perméabilités plus élevées sont mesurées (Bixio et al., 2002) et où des vitesses de migration verticale du 90Sr 5 à 7 fois plus fortes peuvent être observées (Shestopalov et al., 2002). Même si ces zones ne représentent qu’un faible pourcentage de la surface de la zone d’exclusion, les auteurs ayant étudié ces dépressions concluent qu’elles jouent un rôle majeur sur les concentrations en radionucléides observées aux exutoires. Aussi, pour tenir compte de ces différents effets au cours du temps, il pourra également être envisagé d’intégrer dans les simulations géostatistiques des informations secondaires, tels que le type de végétation (facilement identifiable sur des photographies aériennes et/ou satellitaires de la zone d’exclusion) et la topographie (à partir d’un modèle numérique de terrain). Il conviendra d’identifier si l’intégration de cette information secondaire permet (ou non) d’améliorer les performances du modèle.


L’approche nécessitera donc de nombreux travaux (exploitation des bases de données existantes, dimensionnement et acquisitions de jeux de données complémentaires, simulations géostatistiques, modélisation hydrogéologiques) qui seront déclinés en 3 volets.

 


Déroulement de la thèse

 

Partie 1 - volet analyse exploratoire des données existantes

La doctorante aura la tâche d’analyser les données existantes dans les différentes bases mises à sa disposition par l’IRSN et nos partenaires ukrainiens et elle devra partager le jeu de données existantes en un jeu de validation et un autre de calibration pour tester la validité des choix retenus pour l’interpolation des données. Ce volet sera l’occasion pour lui d’appliquer les méthodes statistiques et géostatistiques relatives à l’analyse exploratoire de données et de se familiariser avec le système d’information géographique ArcGIS.


Partie 2 - volet terrain/acquisition de données

Au préalable une stratégie d’échantillonnage d’eaux et de sols sera mise au point par le doctorant en fonction de la topographie du site et des exutoires afin d’acquérir des analyses complémentaires. Une campagne de cartographie du rayonnement émis en surface par les tranchées sera déployée dans la zone de la forêt rousse. La doctorante pourra acquérir de nombreuses connaissances et expériences sur la mise en place d’une mission de terrain et sur les techniques de prélèvement et d’analyses in situ.


Partie 3 - volet simulation géostatistique et modélisation

Elle devra réaliser une étude de sensibilité, partager le jeu de données existantes en un jeu de validation et un autre de calibration pour tester la validité des modèles, mais aussi définir des critères pour la validation des modèles. Elle sera amenée à déployer des simulations géostatistiques pour générer des champs équiprobables de paramètres d’entrée du modèle hydrogéologique. Elle devra construire un modèle d’écoulement et de transport réactif à l’échelle de la zone d’exclusion. L’étudiante devra choisir les codes et outils déployés dans ce volet. Ces travaux lui permettront d’acquérir une expérience et un regard critique sur la modélisation géostatistique et sur le transport réactif.


Laboratoire IRSN impliqué

Laboratoire d'étude des transferts en sub-surface (LT2S)

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