Localisation des zones d’accumulation

2.1.1. Choix de la méthode de mesure

La mesure des rayonnements gamma par spectrométrie gamma in situ a été sélectionnée pour détecter des accumulations. Cette propriété est couramment utilisée dans l’industrie minière ou nucléaire pour la recherche de nouveaux gisements ou la caractérisation de zones contaminées (Lemercier 2007, Panza 2012). Ce type de mesure est également en adéquation avec les recommandations de l’AIEA, qui préconise une première reconnaissance du site en utilisant des outils de détection de la radioactivité avant tout échantillonnage (Fesenko et al 2012).

Le service d’Intervention et d’Assistance en Radioprotection du Pôle radioprotection, environnements, déchets et crise (PRP-CRI/SIAR) de l’IRSN a développé un instrument de cartographie de la radioactivité naturelle et/ou artificielle par spectrométrie gamma in situ (Lemercier 2007, Panza and Gurriaran 2009, Panza 2012). Ce système, nommé MARCASSIN (Moyen Autoporteur pour la Réalisation de Cartographies de l’Activité Sur Sites Contaminés), est intégré à un quad, qui permet de couvrir de vastes surfaces en un minimum de temps. Les mesures faites par MARCASSIN sont également associées à des mesures ponctuelles par spectrométrie gamma in situ fixe et à des prélèvements de sols et des analyses par spectrométrie gamma en laboratoire, afin de pallier aux incertitudes dues au temps de comptage, de vérifier les activités et de valider les cartes de distribution obtenues. Une collaboration a donc été établie avec le SIAR afin de réaliser la cartographie de l’environnement du site de Bertholène, en juillet 2013. L’utilisation de MARCASSIN comme moyen mobile de détermination des zones d’accumulation présente plusieurs avantages dont notamment :

- la couverture d’une large surface autour du site minier, du fait du faible temps d’acquisition des spectres et de la motorisation du système de mesure

- l’acquisition de mesures d’activités dans des zones difficilement mesurables par

spectrométrie gamma fixe du fait du transport du matériel

- la localisation en temps réel des zones d’accumulation et donc la mise au point rapide de

la stratégie d’échantillonnage

- l’obtention finale de cartes de distribution et d’activité pouvant aider à la compréhension

du transfert des radionucléides depuis la ou les sources vers les zones d’accumulation 2.1.2. Description du principe de mesure, des hypothèses et des outils utilisés

a) Principe de la spectrométrie gamma

La spectrométrie gamma est une technique non destructive de mesure nucléaire utilisée pour identifier et quantifier des éléments radioactifs par la mesure de l’énergie et du nombre de rayonnement gamma émis par la source. La mesure de l’énergie, déposée lors de l’interaction entre le flux de photons gamma issu de la source et le cristal de détection, sur un intervalle de temps donné, permet de construire un histogramme (spectre) du nombre de photons détectés en fonction d’une gamme d’énergie (en keV). La structuration en niveaux d’énergie des noyaux atomiques implique que les énergies d’émission ou d’absorption de photons sont spécifiques des radioéléments et se traduisent par des pics dans le spectre, aux niveaux d’énergie correspondants, si le radioélément est présent dans la source. Différents types de spectromètres gamma in situ (détecteur à scintillation, détecteur à semi-conducteur ou détecteur à gaz) sont disponibles sur le marché mais les spectromètres semi-conducteurs en germanium hyper pur (HPGe) sont les plus performants car ils possèdent une excellente résolution en énergie et permettent donc une meilleur identification des radionucléides, en dépit de la nécessité de refroidissement du détecteur, souvent effectuée à l’azote liquide, qui peut générer des problèmes de transport et des risques de brûlures pour l’opérateur.

b) Description des caractéristiques de MARCASSIN et des hypothèses de mesure

MARCASSIN est constitué d’un spectromètre HPGe mesurant le flux de rayonnement gamma émis par la surface du sol, d’un radiamètre étalonné pour la mesure de l’équivalent de dose ambiant et d’un système de positionnement par satellite décimétrique (GPS), intégrés sur un porteur motorisé de type quad (figure 2-8). L’ensemble du système est piloté par un logiciel spécifique. L’acquisition est effectuée toutes les 2 secondes et les résultats sont

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présentés sous la forme de cartes, dans lesquelles l’identification des radionucléides, les niveaux d’activités, le débit de dose et la répartition de la contamination sont déterminés à partir des coordonnées et des données nucléaires et présentés en temps réel. Ce système a déjà été testé sur des sites environnementaux (région parisienne) et des zones contaminées (Fukushima). MARCASSIN est équipé en outre de différentes méthodes de retraitement des données comme le remaillage, qui permet d’améliorer le taux de comptage et la sensibilité de la mesure et donc l’estimation de l’activité via la somme d’un certain nombre de spectres spatialement corrélés dans un rayon défini, ou encore la déconvolution des données cartographiques qui permet de retrouver le taux de comptage et donc l’activité radiologique émis par la source en s’affranchissant des paramètres liés au système de mesure MARCASSIN (Panza 2012).

Figure 2-8 : Présentation de l’outil MARCASSIN (modifiée d’après Panza 2012)

Figure 2-8: Description of the MARCASSIN tool (from Panza 2012)

L’activité d’un radionucléide du sol est calculée à partir de la mesure du taux de comptage d’une raie d’absorption totale de cet élément, de la fonction de réponse du spectromètre et de l’estimation de la géométrie de la source. La calibration est réalisée à partir des équations de

l’ICRU 53 (Bethesda 1994) et permet le calcul d’un coefficient de transition entre le taux de comptage N enregistré et l’activité A du radionucléide.1

Lors des mesures effectuées dans l’environnement du site de Bertholène, différentes hypothèses ont été utilisées (PRP-CRI/SIAR IRSN 2013) :

- les activités ont été moyennées dans le champ de vision du spectromètre

- la distribution en profondeur de la radioactivité a été supposée homogène

- l’atténuation due au quad a été corrigée a posteriori

- le débit d’équivalent de dose (H*10) a été mesuré à 1 m au-dessus du sol

c) Description de la mesure in situ par spectrométrie gamma fixe

Des mesures d’activité par spectrométrie gamma in situ fixe ont également été effectuées à des points précis de la surface couverte par MARCASSIN. Ce système consiste à placer un spectromètre HPGe sur un trépied au centre de la zone à analyser. Le spectromètre est positionné à 1 mètre de hauteur avec le cristal pointé en direction du sol à analyser (figure 2- 9).

La calibration du détecteur a été réalisée de la même manière que pour la spectrométrie gamma mobile. Les hypothèses de mesure sont identiques, avec en plus :

- absence d’obstacle majeur dans le champ de vision (sol plat et dégagé)

- sol de composition de type 3 dans l’ICRU 53 :

• masse volumique du sol ρ = 1.6 g.cm-3

• composition chimique : Hydrogène = 1.1 %, Carbone = 1.2 %, Oxygène = 55.8 %,

Aluminium = 7.2 %, Silicium = 31.6 % et Fer = 3.1 %

99 Figure 2-9 : Présentation du dispositif de mesure in situ fixe.

Figure 2-9: Description of the in situ fixed measurement device

Des informations supplémentaires telles que la gamme d’énergie, les radionucléides étudiés, les limites de détection et les incertitudes pour chaque radionucléide, le remaillage et l’interpolation des données MARCASSIN réalisés par le SIAR ainsi que les volumes de sol considérés sont précisées à la section Méthodes du chapitre 4 pour les deux méthodes de mesure de l’activité par spectrométrie gamma in situ. La zone couverte par MARCASSIN, la localisation des accumulations et des zones de mesures in situ fixe y sont également indiquées.