En cette période de rentrée universitaire, je salue avec satisfaction les 26 nouveaux doctorants qui débutent leurs travaux de recherche à l'IRSN. La formation des futurs chercheurs est un élément fondamental de la mission de l'Institut, qui accueille en permanence plus d'une centaine de doctorants et de post-doctorants dans ses laboratoires. Ils y apportent un sang neuf et innovateur qui contribue à faire avancer nos recherches et à créer des relations privilégiées entre l'Institut, les écoles doctorales et les laboratoires universitaires associés. En témoignent les Journées des thèses qui viennent de s'achever et se déroulent avec un succès constant depuis plusieurs années. La présence de doctorants et de post-doctorants est ainsi essentielle pour l'Institut dont les recherches à caractère appliqué doivent, pour se maintenir à un niveau d'excellence de rang international, s'adosser aux développements scientifiques les plus récents. Aktis réserve aux docteurs récemment diplômés une place toute particulière.

Durant un accident de perte de réfrigérant primaire (APRP) dans un réacteur nucléaire à eau sous pression, la gaine, cylindre métallique qui contient le combustible, serait soumise à des températures élevées dans une atmosphère de vapeur. Ces conditions induisent une oxydation qui peut dégrader les propriétés mécaniques de la gaine. Les critères de sûreté liés à ce type d'accident ne tiennent qu'indirectement compte de l'oxydation préalable de la gaine (oxydation dite « en service ») qui se produit pendant le fonctionnement normal du réacteur. Le Laboratoire d'expérimentation en mécanique et matériaux (LE2M) a réalisé une étude pour évaluer l'influence de l'oxydation en service sur une gaine de Zircaloy-4 soumise à une oxydation par la vapeur à haute température (HT).

Simuler l'oxydation

L'expérience se déroule en deux étapes. Dans un premier temps des échantillons de gaine sont oxydés à basse température pendant des durées variables afin de simuler différents niveaux d'oxydation en service. Puis ces échantillons sont portés à une température de 900°C pendant 6000 s dans une atmosphère de vapeur, simulant alors les conditions de l'APRP.

Des résultats pleins d'enseignements

Première constatation : les examens réalisés sur ces échantillons montrent que l'oxydation HT de la gaine n'est pas uniforme. Certaines régions ont été oxydées, d'autres pas. La couche d'oxydation en service joue ainsi un rôle protecteur à certains endroits et pas à d'autres. On pourrait penser que la couche d'oxydation en service retarde l'accès de la vapeur vers le métal, expliquant ainsi la distribution de l'oxyde HT. Mais contre toute attente, c'est là où la couche d'oxydation en service est la plus épaisse que celle d'oxyde HT est la plus étendue. Ce phénomène pourrait être dû à de grandes différences entre l'expansion thermique du métal et celle de l'oxyde, induisant l'apparition d'un réseau de fissures facilitant l'accès de la vapeur.

Seconde constatation : quelle que soit l'épaisseur de la couche d'oxydation en service, le comportement mécanique de la gaine après oxydation HT est fortement dégradé par rapport à celui des gaines neuves. Ceci confirme les résultats (non publiés) obtenus lors d'expériences similaires par l'institut tchèque UJP (Ústavu jaderných paliv, Institut du combustible nucléaire).

De nouveaux tests seront menés, notamment pour étendre la gamme des paramètres étudiés, en particulier la température à laquelle est réalisée l'oxydation HT. Mais les résultats obtenus indiquent d'ores et déjà que l'effet de la corrosion en service, même s'il fait appel à des phénomènes complexes, doit nécessairement être considéré dans l'élaboration des critères de sûreté.

Travaux réalisés en collaboration avec le CEA et l'organisme tchèque ALIAS CZ s.r.o.

Après l'accident de Tchernobyl, la nourriture a été pour les populations locales la principale voie d'exposition aux rayonnements ionisants. D'où l'importance d'évaluer les taux de transfert des radionucléides de la biosphère vers les plantes, en fonction de leur environnement, et d'étudier leur mobilité dans la plante jusqu'aux parties comestibles.

Facteur de transfert racinaire

Le facteur de transfert d'un radionucléide, rapport entre la concentration de ce radionucléide dans la plante et celle du sol, dépend des plantes considérées et du sol sur lequel elles poussent. Afin d'identifier les éléments qui font varier ce facteur pour le ¹³⁷Cs^GLO et le ⁹⁰Sr^GLO, principaux radionucléides présents après l'accident, une équipe de l'IRSN a cultivé différentes espèces agricoles sur cinq types de terre représentatifs des sols européens et les a contaminés artificiellement (programmes européens RESSAC et PEACE). La composition de l'eau présente dans le sol (solution du sol) dans laquelle les végétaux puisent les nutriments disponibles influence directement les variations des facteurs de transfert du césium et du strontium. Celles-ci sont fonction de la concentration du radionucléide considéré, mais aussi de la présence d'autres éléments comme le potassium, qui se révèle un concurrent du césium, ou le calcium qui est en concurrence avec le strontium : plus ils sont concentrés dans la solution du sol, moins les radionucléides sont transférés à la plante et inversement.

Facteur de translocation

Lors d'une contamination aérienne, la canopée des plantes intercepte les radionucléides, qu'ils soient transportés sous forme d'aérosols ou par voie humide (pluie ou irrigation). Ils pénètrent dans la plante par les feuilles d'où ils migrent ensuite vers le reste de la plante. La distribution des radionucléides dans la plante, ou translocation, dépend de l'élément lui-même, de la forme sous laquelle les radionucléides sont transportés, de l'espèce végétale et de son stade de développement. L'analyse bibliographique des études réalisées sur ce sujet montre que la translocation est en général de plus forte intensité lors de la période de floraison. De plus, le facteur de translocation est un indicateur de la mobilité des radionucléides dans les organismes végétaux et cette analyse a permis de recenser les valeurs existantes pour les radionucléides majeurs et de les classer en trois groupes en fonction de leur mobilité. Elle a également permis d'identifier les radionucléides dont les données sont absentes.

Recyclage de la contamination

Une fois transférée et internalisée dans les végétaux, la contamination est en partie stockée et en partie redéposée au sol via la chute des feuilles et des branches formant la litière. Ainsi, une étude récente réalisée dans la « forêt rousse » ⁽¹⁾ près de Tchernobyl montre que les pins plantés après l'accident sur les tranchées d'enfouissement de déchets radioactifs (290 ± 140 GBq en ⁹⁰Sr, 600 ± 240 GBq en ¹³⁷Cs) peuvent extraire annuellement jusqu'à 0,82 % du ⁹⁰Sr et 0,004 % du 137Cs présents dans la tranchée, pour une densité de 3300 arbres à l'hectare. La modélisation de ce processus dans le temps indique que le pic de transfert du ⁹⁰Sr sera atteint quarante ans après la plantation : 12 % du ⁹⁰Sr contenu dans les déchets enterrés sera alors transféré aux couches de surface du sol via le recyclage de la biomasse et 7 % stocké dans les arbres. Même si ces résultats préliminaires doivent être complétés par une étude plus complète de l'écosystème, ils restituent les ordres de grandeur mis en jeu et l'importance de prendre en compte ce processus pour la gestion des zones polluées.

Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec l'Université catholique de Louvain, l'Université de Barcelone, le CEAM (Espagne), le Centre d'étude de l'énergie nucléaire belge (SCK-CEN), l'Institut ukrainien de radiologie agricole (Ukrainian Institute of Agricultural Radioecology UIAR) et l'Agence nationale française de gestion des déchets (Andra).