Le radiocésium dans le milieu marin

Le radiocésium dans le milieu marin 

Généralités

De symbole Cs, le césium est un élément chimique dont le nombre atomique est de 55. Il appartient au groupe des métaux alcalins, et possède 31 isotopes dont la masse varie de 114 à 145, parmi eux, seul l’isotope 133 est stable. Dans un réacteur nucléaire, les isotopes radioactifs du césium sont produits par la fission des noyaux d’uranium (235U) et du plutonium (239P u). Trois seulement de ces isotopes radioactifs présentent des durées de demi-vie supérieures à l’année : le 134Cs (2.2 ans), le 135Cs (2.9 × 106 ans) et le 137Cs (30 ans). Le 137Cs a une demi-vie de 30 ans et une activité spécifique de 3.2 × 1012 Bq g−1 , ce qui en fait une source de radioactivité à long terme. Il se désintègre par émission d’un rayonnement β − pour donner à 5% du baryum-137 (137Ba) stable et à 95% du baryum-137 métastable (137mBa). Ce dernier a une période radioactive de 2.3 minutes, et passe à l’état stable en émettant un rayonnement γ. Le 137Cs est alors généralement considéré comme un émetteur β/γ.

Les sources de radiocésium dans l’océan

Le radiocésium trouvé dans l’océan a été essentiellement produit
1) par les essais d’armes nucléaires,
2) par les installations nucléaires
3) et par les accidents nucléaires.
L’utilisation des radiocésium en médecine et en recherche reste une contribution négligeable à la radioactivité du milieu marin.

Les essais nucléaires atmosphériques

C’est la principale source de 137Cs dans l’océan, avec une quantité totale d’environ 603 P Bq (Aarkrog [2003]) représentant environ 65% de la quantité totale du 137Cs rejetée dans l’environnement (948 P Bq). Parmi la quantité totale du 137Cs associée à l’océan, environ 220 P Bq se sont déposées au nord du Pacifique (Aarkrog [2003]). Ces quantités se sont essentiellement reçues sous forme de retombées atmosphériques sèches et humides générées par ces explosions. Quelques 520 essais nucléaires ont été réalisés dans l’atmosphère entre 1945 et 1980 dont la majorité s’est produite entre les années 50s et 60s (UNSCEAR [1982]). Le 134Cs, par contre, n’est pas produit par les essais d’armes nucléaires. Selon la puissance et l’altitude de tir l’injection de produits radioactifs est réalisée soit dans la stratosphère soit dans la troposphère. Dans le premier cas les éléments circulent autour du globe terrestre avec des vitesses de brassage relativement lentes, et redescendent par gravité dans la troposphère. Les retombées touchent alors les deux hémisphères mais restent tout de même plus importante dans l’hémisphère d’origine du tir étant donné les faibles échanges stratosphériques entre les deux hémisphères. Dans le cas où les produits radioactifs sont injectés dans la troposphère, ils sont transportés par les vents, leur temps de séjour avoisine le mois et les retombées sont les plus importantes à la latitude où sont effectués les tirs.

En raison de la répartition des sites de tirs, et des échanges stratosphère troposphère plus importants aux latitudes tempérées, la bande latitudinale 40° -50° de l’hémisphère Nord a été la plus touchée par les retombées des essais nucléaires atmosphériques. Les retombées des tirs atmosphériques ont eu et ont encore un impact global sur l’environnement.

Les rejets contrôlés d’effluents liquides des installations nucléaires

Concernent essentiellement les rejets liés aux usines de retraitement des combustibles usés qui contribuent de manière significative à l’introduction de radionucléides artificiels au milieu marin. Les opérations de retraitement sont effectuées pour récupérer l’Uranium (U) et le plutonium (P u) à partir des combustibles usés pour les réutiliser dans les réacteurs. Les principales usines de retraitement dans le monde se trouvent en Angleterre (Sellafield), en France (Cap de la Hague) et au Japon (Tokai). Ce type de rejet a un impact local voire régional sur l’environnement marin. La quantité totale du 137Cs rejetée dans l’océan global à partir des unités de La Hague et de Sellafield a été estimé à environ 40 P Bq (Aarkrog [2003]).

Les accidents nucléaires

Deux accidents ont contribué à un marquage significatif de l’environnement marin en radiocésium. L’accident de Chernobyl qui s’est produit en 1986 et qui a engendré le rejet de quantités importantes de radionucléides notamment le 137Cs. Aarkrog [2003] estime que la quantité de 137Cs atteignant le milieu marin sous forme de retombées locales ou troposphériques ne représente que 15-20 % la quantité totale rejetée dans l’environnement (environ 100 P Bq). En raison de leur proximité du lieu de l’accident, les mers européennes telles que la mer Baltique, la mer Noire, la mer Méditerranée et la mer du Nord sont les plus touchées par ces rejets. L’accident de Fukushima qui s’est produit le 11 mars 2011 a eu quant à lui un impact important sur les niveaux de la radioactivité en mer dans la région du Pacifique nord d’autant que la centrale est située sur la côte. Les quantités de radionucléides rejetés en mer suite à cet accident et leur impact sur l’environnement marin sont décrits en détail dans le prochain chapitre.

Le radiocésium, un traceur des masses d’eau

Le 137Cs qui a été largement introduit dans le milieu marin et qui présente une demi-vie d’environ 30 ans est un élément aisé à mesurer par spectrométrie gamma. En milieu aquatique les isotopes du césium se trouvent sous forme cationique. En mer les ions Cs+ sont en forte compétition ionique avec les ions majeurs de l’eau de mer, et les isotopes du césium y sont donc essentiellement rencontrés sous forme dissoute. Ces caractéristiques en font un traceur de choix pour étudier les mouvements des masses d’eaux à l’échelon mondial.

La distribution du 137Cs dans les eaux de surface de l’océan mondial

La distribution des concentrations du césium dans les eaux de surface de l’océan est influencée par plusieurs facteurs tels que la circulation océanique et atmosphérique, la fréquence des précipitations, la nature et la quantité des rejets ainsi que l’emplacement de la source (Povinec et al. [1996]). La distribution du 137Cs dans l’océan mondial a connu une importante variabilité temporelle en parallèle avec la variabilité des sources de rejets (retombées globales, accidents, rejets directes, etc). Durant la période 1957-1965 (Figure 2.2,a), les concentrations les plus élevées se trouvaient essentiellement dans le Pacifique nord-ouest (30 − 45oN et 135 − 155oE) et dans le nord de l’Atlantique (30 − 50oN), où les quantités de précipitations ainsi que les échanges entre les couches de l’atmosphère sont les plus forts (Aoyama and Hirose [2003], Aoyama et al. [2006]). Ces fortes concentrations se sont ensuite déplacées vers la partie Est du Pacifique nord durant les années 1960s (Figure 2.2,b) sous l’effet des courants océaniques. Durant les années 1970s (Figure 2.2,c), les différences de concentration entre les moyennes latitudes et la partie équatoriale du Pacifique deviennent négligeables (Aoyama et al. [2001]). Les fortes concentrations observées dans le nord de l’Atlantique et ses mers marginales dans les années 1970s sont essentiellement liées aux déversements des usines de retraitement présentes dans cette région (La Hague, Sellafield). Dans les années 1980s (Figure 2.2,d), les concentrations élevées observées au niveau des mers européennes (la mer Baltique, la mer Noire, la Méditerranée), sont essentiellement dues aux retombées atmosphériques liées à l’accident de Chernobyl (Avril 1986). Par ailleurs, les concentrations étaient toujours élevées au niveau de l’Atlantique nord-est, sous l’effet combiné de l’accident de Chernobyl et des rejets liquides des centres de retraitement du combustible usé (Povinec et al. [2013]). Dans les années 1990s (Figure 2.2,e), les concentrations du 137Cs dans l’eau étaient toujours plus fortes au niveau des mers marginales de l’Atlantique nord (la Manche et la mer du Nord), essentiellement influencées par les rejets des centres de retraitement du combustible usé. Dans les années 2000s (Figure 2.2,f), les concentrations deviennent presque homogènes dans tout l’océan mondial avec des concentration généralement inférieures à 3 Bq m−3 , à l’exception des mers marginales de l’océan Atlantique où les concentrations restaient toujours élevées (entre 20 et 100 Bq m−3).

Table des matières

1 Introduction générale
2 Le radiocésium dans le milieu marin
2.1 Généralités
2.2 Les sources de radiocésium dans l’océan
2.2.1 Les essais nucléaires atmosphériques
2.2.2 Les rejets contrôlés d’effluents liquides des installations nucléaires
2.2.3 Les accidents nucléaires
2.3 Le radiocésium, un traceur des masses d’eau
2.3.1 La distribution du 137Cs dans les eaux de surface de l’océan mondial
2.3.2 L’évolution temporelle de la concentration du 137Cs dans l’océan Pacifique
2.4 Le radiocésium et les organismes vivants
2.4.1 Transfert du radiocésium aux organismes marins
2.4.2 Sédimentation de la radioactivité contenue dans les particules organiques
2.5 Le radiocésium dans le sédiment
3 L’accident de Fukushima et ses conséquences
3.1 Situation géographique de la centrale et les caractéristiques du Pacific nord-ouest
3.2 La chronologie de l’accident
3.3 Les rejets radioactifs engendrés par l’accident
3.3.1 Les rejets atmosphériques
3.3.2 Les rejets directs en mer
3.4 L’évolution spatio-temporelle des concentrations du radiocésium dans l’eau
3.4.1 Au niveau de la zone côtière autour de Fukushima
3.4.2 En dehors de la zone côtière
3.4.3 La variation avec la profondeur
3.5 L’état de contamination du compartiment biologique
3.5.1 Le plancton
3.5.2 Les poissons
3.6 La modélisation du transfert des radionucléides aux organismes marins
3.6.1 Méthode statique basée sur le facteur de concentration
3.6.2 Méthode dynamique basée sur des constantes d’accumulation et d’élimination
3.6.3 Méthode dynamique basée sur un modèle de l’écosystème
4 Les outils numériques
4.1 Le modèle hydrodynamique
4.2 Le modèle d’écosystème
4.2.1 Le choix du modèle
4.2.2 Présentation, formulation du modèle et choix des paramètres
4.3 Le modèle radioécologique du transfert des radionucléides aux organismes marins
4.4 Le couplage des modèles
4.5 Les conditions aux limites
4.5.1 A la surface libre et au fond
4.5.2 Aux frontières latérales
4.6 La configuration numérique
5 Conclusion

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