LES PROCESSUS DE TRANSFERT DANS LA BIOSPHERE 1) Les phénomènes

La dispersion dans la biosphère est dépendante d'un grand nombre de processus. Sur la figure 7 sont représentés les différents phénomènes pouvant intervenir dans le transfert des radionucléides de la géosphère à la biosphère.

FIGURE n° 7

Les différents processus de transfert

exposition externe (activité*

nautiques)

II existe donc plusieurs phénomènes à prendre en compte.

(1) Le transport par les eaux souterraines de la roche à des écosystèmes locaux par les sédiments, le sol, l'eau etc..

Les processus physiques et chimiques importants sont :

• le flux d'eau,

• l'advection (transport des gaz),

• la resuspension,

• la bioturbation (par les petits et grands animaux),

• l'altération (acidification des zones redox),

• la précipitation,

• les échanges d'ions.

Un certain nombre de processus est dépendant des conditions spécifiques d'un site telles que :

• la composition chimique et physique des eaux souterraines,

• les conditions redox,

• les propriétés des sols et sédiments,

• les conditions hydrauliques.

Le passage de la roche à la biosphère se traduit par le transfert d'éléments évoluant en conditions réductrices à un environnement oxydant.

® Le transport, la dilution, l'accumulation et le dépôt dans les écosystèmes locaux, régionaux et globaux.

Généralement, le transport dans les écosystèmes entraîne une large dilution des radionucléides.

Parfois il y a accumulation (comme l'accumulation des transuraniens dans les tourbières).

Il existe une grande incertitude sur l'évolution des écosystèmes considérés et leurs propriétés durant la période de temps où l'activité risque d'apparaître :

• à brève échéance - eutrophisation des lacs, culture des vieux sédiments, - érosion des sols par l'eau et le vent,

- perturbation des couches de sédiments.

• à longue échéance - changements climatiques et glaciations.

(3) Le transport à l'homme par l'intermédiaire de la production et distribution de la nourriture (habitudes diététiques, quantité e t c . ) .

Exemple de voies de transfert à l'homme par les systèmes aquatiques : phytoplancton

sédiment contaminé

eau

^ arthropodes — ^ ^ ^ — ^ ^ ^ _ * - HOMME

végétation émergente

Exemple de voies de transfert à l'homme par les systèmes terrestres : culture —~" " *—™-~

c o n t a m i n é ^ " ^ végétation naturelle ->• g i b i e r s — ^ H O M M Esol > • g i b i e r s — ^

2) La modélisation

Les modélisation ne sont que des abstractions de la réalité et peuvent donc seulement être des approximations des phénomènes du monde réel M. Ainsi, un véritable modèle réaliste de la biosphère est difficile à mettre en place &>3]. Au chapitre V seront détaillés les différents codes et exercices internationaux utilisés pour modéliser les transferts dans la biosphère.

a) Les coefficients de distribution

Les échanges de radionucléides entre phase liquide et phase solide, que ce soit les échanges eau-sédiment, eau-sol, eau-roche, sont des phénomènes complexes qui font intervenir de nombreuses réactions chimiques (voir chapitre II -B et figure 8), en particulier dans des systèmes hétérogènes tel que le milieu naturel.

FIGURE n° 8

Représentation schématique des différentes réactions possibles entre un ion métallique et les divers constituants d'un système aquatique

EAU

complexes de petites tailles

ex M(CO3)2

_ _ _ _ _ _ _ : «_

particules (non-vivantes)

! en suspension

complexes macro-moléculaires ex: acide fulvique

2 + M

organismes vivants ex algues, plancton.

L'ensemble de ces processus est généralement quantifié par un seul paramètre, le cefficient de distribution, noté Kd, qui se définit comme le rapport concentration du radionucléide dans la phase solide I concentration du radionucléide dans la phase liquide. Ce coefficient décrit la répartition globale du radionucléide entre les deux phases, il est le plus souvent déterminé expérimentalement et rarement dans des conditions d'équilibre. Il n'est valable que pour des caractéristiques du milieu proches des conditions dans lesquelles le Kd a été établi.

Les caractéristiques des sédiments ou des sols à prendre en compte sont fê] :

• caractéristiques physiques (granulométrie),

D'une manière générale, la fraction fine du sédiment accumule des quantités

• caractéristiques chimiques (teneur en carbonates, en matières organiques, en hydroxydes métalliques et en éléments stables),

La teneur en matières organiques a manifestement un effet sur la sorption du radionucléide mais cet effet peut être positif ou négatif, selon le radionucléide et les conditions du milieu.

La fixation peut varier en fonction de la forme cristalline du carbonate et de sa pureté.

En présence d'éléments stables, il peut y avoir des phénomènes d'échanges isotopiques ou ioniques, ou bien des phénomènes de fixation par l'intermédiaire d'hydroxydes ou d'oxydes métalliques.

Les sédiments qui contiennent de fortes concentrations en fer, présentent des Kd plus forts.

• caractéristiques minéralogiques (teneur et nature des argiles).

A cette phase solide, s'ajoutent des constituants dont le rôle n'est que depuis peu pris en compte dans les modèles de transport des radionucléides f 3

• les colloïdes,

• les micro-organismes

b) Les facteurs de transfert et de concentration

Pour envisager le devenir des radionucléides dans la biosphère, on décompose les écosystèmes en une série de "compartiments radiologiques". La concentration d'un radionucléide dans un compartiment est reliée à celle de ce même radionucléide dans un autre compartiment par une fonction de transfert. :

HcdmpartimentB B) = m ^ . "

UJcompaitimentA

A l'échelon d'une zone géographique, l'équilibre peut ne pas être atteint et les compartiments ne sont pas toujours homogènes. Dans ce cas, on mesure simplement les facteurs de concentration M :

T-Y-X UJcomnartiment uJeau

En l'absence de données sur un radionucléide, ils peuvent être calculés à partir des concentrations des isotopes stables de l'élément ou d'un élément chimiquement proche. Les résultats (voir synthèses des données) sont extrêmement variables en raison de la multitude de paramètres influençant la mesure du facteur de concentration.

En fait, le terme, très usité, de facteur de concentration est trompeur puisqu'il ne traduit pas toujours une accumulation, mais parfois son contraire. En effet, pour un même écosystème, les facteurs de concentration diminuent généralement quand on passe d'un compartiment à l'autre.

Aussi, lorsqu'on envisage l'ensemble des compartiments qui constituent une chaîne alimentaire, plus le nombre de compartiment est élevé, c'est à dire plus longue est la chaîne, moins le produit final, consommé par l'homme, sera contaminé. Il résulte de cette constatation que pour la plupart des polluants radioactifs, on observe donc une diminution du facteur de concentration à mesure que l'on progresse dans l'échelle systématique : les produits d'origine végétale sont plus contaminés que ceux d'origine animale. Chez ces derniers, la contamination diminue quand on passe des herbivores aux omnivores puis aux carnivores t4'5^.

A ces règles générales, il existe des exceptions. En effet, certaines espèces fixent pratiquement sans distinction tous les radionucléides présents dans l'écosystème avec un facteur de concentration élevé. Il s'agit soit des espèces les moins évoluées (zoo plancton, mousses, lichens...), soit d'espèces parasites ou symbiotiques (champignons), soit de végétaux à grand pouvoir d'occupation

Dans les organismes dulçaquicoles pluricellulaires, ce sont surtout les métaux de transition (Mn, Co, Zr, Fe) qui sont concentrés; Sr et Cs, dont les isotopes radioactifs sont importants, présentent des FC relativement faibles chez les organismes aquatiques.

La contamination radioactive affecte donc particulièrement les producteurs primaires et les micro-organismes du zooplancton. Ainsi intégrés aux premiers maillons des chaînes alimentaires, les radionucléides pourront être transférés aux niveaux trophiques successifs, et à l'homme, consommateur final de chaînes alimentaires. Deux modes de contamination ^ :

• transfert simple (bioaccumulation) s'accompagnant d'une décroissance des concentrations pour les niveaux trophiques les plus élevés,

• amplification biologique (biomagnification) responsable de concentration croissante pour les niveaux trophiques élevés.

La figure 9 illustre une partie des différents transferts dans une chaîne alimentaire.

Notons que les aliments, dans la plupart des cas, ne sont pas consommés tels quels par l'homme, mais vont subir une série de transformations (stockage, lavage, cuisson etc..) t6»7!. Ainsi en négligeant les pertes dues à ces différents processus, la dose à l'homme calculée est surestimée. Par conséquent, ce paramètre supplémentaire devra être pris en compte par l'intermédiaire de Fr qui est la fraction de radionucléide qui est retenue dans l'aliment après transformation des matières premières W.

D'autre part, il faut noter que les méthodes agricoles peuvent changer radicalement dans le futur, ainsi que les habitudes alimentaires, et ainsi modifier les doses calculées (31.

c) Les calculs de dose

Le terme "dose" utilisé est une simplification d'écriture qui cache en fait une réalité complexe. Pour en faciliter la compréhension les principales définitions sont données ci-après : Activité :

Dose absorbée

Débit de dose : Equivalent de dose

L'activité d'une quantité de matière radioactive est le nombre de désintégrations radioactives qui s'y produisent par unité de temps. L'unité est le "Becquerel" (Bq).

La dose D absorbée par un tissu (ou un organe) est l'énergie communiquée à la matière par les rayonnements ionisants. Elle dépend de la nature des tissus, du rayonnement (a, p, y...), de son énergie. L'unité est le "Gray"

(lGy = 1 J-kg-1). Elle s'utilise dans les cas d'irradiations fortes.

C'est la prise en compte de la durée de l'irradiation. L'unité est le Gy.S"1. Pour une même dose absorbée, les effets sanitaires mutagènes et cancérigènes varient suivant le type de rayonnement ionisant. Pour prendre en compte ces différences, un facteur de qualité est introduit (Q = 1 pour les rayons X, p et y, Q = 2,3 pour les neutrons thermiques; Q = 10 pour les neutrons, protons et particules à une seule charge; Q = 20 pour les particules a et les particules à charge multiple). L'unité est le "Sievert"

(Sv). Elle s'utilise dans les cas d'irradiations faibles.

HGURE n° 9

Les différents transferts entre les compartiments radiologiques

Equivalent de dose efficace :

Equivalent de dose engagée :

L'équivalent de dose efficace est un équivalent de dose virtuel qui conduit à la probabilité d'observer un effet sanitaire majeur radioinduit chez un sujet exposé, égal à la somme des probabilités d'observer un effet dans chacun de ses organes. Ceci permet d'obtenir une seule valeur de dose pour des irradiations successives de localisations diverses.

Après incorporation par inhalation ou ingestion, un radionucléide séjournera plus ou moins longtemps dans l'organisme. Pendant son séjour, le radionucléide émet des rayonnements ionisants qui cèdent de l'énergie aux divers tissus et organes. Ces derniers sont donc soumis à une irradiation comptabilisée en équivalent de dose, diminuant en fonction de l'excrétion naturelle et des périodes radioactives et biologiques. La somme des équivalents de dose délivrés par unité de temps à un tissu ou un organe, pendant la durée de vie du radionucléide, ou de l'homme, s'appelle l'équivalent de dose engagée à la suite d'une incorporation unique et instantanée.

La dose collective est la somme de toutes les doses individuelles d'une population exposée $3.

Le calcul des doses individuelles et doses collectives est effectué afin de comparer les résultats avec les conditions naturelles. Il y a beaucoup de difficultés soit à les évaluer, soit à les interpréter.

Pour estimer la dose individuelle, il est d'usage de faire des hypothèses pessimistes sur les transferts $].