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Modélisation dynamique de la mobilité du 137Cs dans le continuum sol-solution-plante. Evaluation de la réponse du modèle à des jeux de données expérimentaux contrastés

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Alexandre FLOURET soutiendra sa thèse

le lundi 11 octobre 2021 à 14h

par visioconférence

Jury

Anna RIGOL, Faculté de chimie analytique, Université de Barcelone -   Rapporteuse
Christophe WATERLOT, LGCgE, JUNIA – ISA - Rapporteur
Laurence DENAIX, SPA, INRAE - Examinatrice
Gilles MONTAVON , Subatech, IMT Atlantique - Examinateur
Catherine KELLER, CEREGE, Université Aix – Marseille - Présidente du jury
François LAFOLIE, EMMAH, INRAE  - Directeur de thèse
Laureline FEVRIER, SRTE/LR2T, IRSN - Co-directrice de thèse (membre invitée)

​Résumé

Le 137Cs est un radionucléide avec une demi-vie de 30 ans qui se retrouve entre autres dans l’environnement après un accident nucléaire. La compréhension de son comportement dans les écosystèmes terrestres, afin d’évaluer la quantité de Cs absorbée par les plantes et ainsi permettre l’évaluation de la contamination de la chaine trophique pouvant impacter l’homme, reste une problématique d’actualité. La biodisponibilité du Cs est contrôlée par différents facteurs liés à la physiologie et au métabolisme des plantes, mais aussi aux propriétés physico-chimiques des sols qui vont influencer la quantité et la réversibilité des transferts du Cs entre le sol et la solution du sol. Des modèles opérationnels agrégés sont utilisés pour prédire l’évolution de la distribution du Cs entre le sol et la solution du sol (modèle type KD) ou entre le sol et la plante (modèle type FT). Cependant, le continuum sol/solution/plante n’est pas considéré dans ce type de modèles. Le but de cette thèse est d’évaluer la faisabilité d’appréhender le continuum sol-solution-plante grâce au couplage d’un modèle thermodynamique de sorption du Cs sur le sol avec un modèle cinétique d’absorption racinaire prenant en compte la physiologie de la plante. Afin de tester la capacité de réponse du modèle, un ensemble d’expériences a été mis en place afin de générer un jeu de données couvrant des conditions contrastées en termes de sols et de plantes. Deux plantes, ayant des capacités d’absorption du Cs différentes, ainsi que trois sols de propriétés physico-chimiques et minéralogiques contrastées ont été utilisés. La mobilité du Cs dans le système sol-solution-plante a été mesurée sur une durée de trois semaines via l’utilisation d’un système normé, le système RHIZOtest®, permettant la mesure de la biodisponibilité. Ces expériences ont été complétées par des mesures en batch permettant de caractériser la disponibilité environnementale du Cs dans le sol. Des résultats variés de transfert de Cs ont pu être observés pour les différents couples sol‑plante. Pour une même plante, la quantité absorbée représentait 10 à 40% du stock initial de Cs dans le sol, quantité variant avec la nature du sol. De plus, il a été observé que cette quantité représentait peu ou prou la plupart du stock de Cs environnementalement disponible, quantité estimée par les expériences en batch.

Bien que le modèle mis en place ait permis de simuler la distribution expérimentale du Cs de façon assez satisfaisante entre les compartiments sol et plante, la quantité de Cs dans l’eau porale a été mésestimée d’un facteur 0.3 à 6. Cependant le stock de Cs dans l’eau porale étant relativement faible (0,004 à 2%), ce paramètre manque de représentativité. Ces simulations ont montré une sensibilité du modèle aux natures et proportions des argiles minéralogiques présentes dans le sol (illite, smectite, kaolinite) ainsi qu’à la présence d’autres cations en solution pouvant entrer en compétition avec le Cs pour les sites de sorption (K+, Ca2+ et Mg2+). La base de données thermodynamiques uniques utilisée pour l’ensemble des couples a montré une très bonne capacité à représenter la capacité de rétention du Cs par le sol. Cependant, la simulation de l’absorption du Cs par la plante n’a été possible qu’après ajustement des paramètres représentant l’absorption racinaire pour chaque couple sol-plante. Ce travail a aussi permis d’apporter une réponse partielle à la question récurrente de la prédominance des propriétés du sol ou de la physiologie de la plante lors du transfert sol/plante du Cs. Ainsi, l’influence de la physiologie de la plante est la composante principale de la mobilité du Cs quand la disponibilité environnementale n’est pas limitée par les propriétés du sol. A l’inverse sur un sol ayant une forte capacité de rétention l’influence de la plante est réduite.