Biologie, sciences de la terre et protection de l'environnement

FR9603340

Biologie,

sciences de la terre et protection

de l'environnement

TRANSFERT DANS LA BIOSPHERE DES RADIONUCLEIDES ISSUS DES STOCKAGES PROFONDS DE DECHETS

RADIOACTIFS. ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE

TRANSFER INTO THE BIOSPHERE OF RADIONUCLIDES RELEASED FROM DEEP STORAGE OF RADIOACTIVE WASTES. BIBLIOGRAPHICAL STUDY

96NV00017

Direction des Etudes et Recherches

Direction des Etudes et Recherches 7 <• V

SERVICE APPUCATIONS DE L'ELECTRICITÉ ET ENVIRONNEMENT

Département Environnement

Mars 1995

GUEDON V.

SICLETF.

TRANSFERT DANS LA BIOSPHERE DES RADIONUCLEIDES ISSUS DES STOCKAGES

PROFONDS DE DECHETS RADIOACTIFS. ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE

TRANSFER INTO THE BIOSPHERE OF RADIONUCLIDES RELEASED FROM DEEP STORAGE OF RADIOACTIVE WASTES.

BIBLIOGRAPHICAL STUDY

Pages : 143

96NV00017

Diffusion : J.-M. Lecoeuvre

SYNTHESE

La plupart des pays dotés de programmes nucléaires civils rencontrent aujourd'hui des difficultés à mettre en œuvre une politique de gestion des déchets nucléaires qui soit à la fois techniquement sûre à long terme et socialement acceptée.

Pour répondre à ces critères, la solution la plus sérieusement envisagée est le stockage, en milieu géologique profond, du combustible stocké en l'état ou des déchets hautement radioactifs issus du retraitement

Pour prévoir l'impact éventuel d'un tel stockage sur l'homme, il est nécessaire de connaître le parcours des radionucléides dans la géosphère, puis dans la biosphère.

Etant donné l'échelle de temps des phénomènes, et le caractère critique des éléments mis en jeu, il est alors indispensable d'avoir recours à la modélisation mathématique des phénomènes. Cependant, une bonne connaissance de ces phénomènes et des caractéristiques physico-chimiques des radionucléides s'avère essentielle.

Ce rapport présente un inventaire, qui se veut complet, des radionucléides contenus dans les déchets "haute activité" (catégorie B et C). Les éléments concernés par les études sur le stockage profond sont essentiellement les radionucléides à vie longue (les éléments étudiés sont aussi bien les actinides, que certains produits de fission et d'activation). Leurs caractéristiques physicochimiques et leurs comportements dans différents compartiments écologiques sont abordés. Les données bibliographiques concernant :

- la solubilité (en milieu oxydant et réducteur),

- les facteurs de distribution (eau/roche-sédiment-sol),

- les facteurs de concentration et de transfert (en milieu aquatique et terrestre), - les facteurs de conversion de dose (par irradiation interne et externe),

- les voies principales d'exposition pour chaque radionucléide étudié, sont répertoriées dans ce document

Les premiers résultats des programmes internationaux sur la modélisation du devenir des radionucléides dans la biosphère sont également présentés. Ils sont généralement optimistes pour l'avenir, mais démontrent la nécessité d'améliorer la base conceptuelle des modèles, en examinant si tous les phénomènes et processus importants sont pris en compte et quelles sont les simplifications possibles.

F. SICLET

V. GUEDON : Contrat à durée déterminée

EXECUTIVE SUMMARY :

Most countries with civilian nuclear programs today are encountering difficulty in implementing a nuclear waste management policy that is both technically safe in the long term and accepted by the public. To meet both criteria, the solution most generally envisaged is deep storage either of untreated spent nuclear fuel or of highly radioactive wastes resulting from reprocessing.

In order to predict the potential impact of such storage on man, one needs to understand the path followed by radionuclides in the geosphere, and later in the biosphere. Given the time scales involved and the critical nature of the elements concerned, it is indispensable to turn to mathematical modeling of the phenomena.

This, however, does not preclude the essential need for in-depth knowledge of the phenomena and of the physico-chemical characteristics of radionuclides.

This report presents what is hoped to be a complete inventory of the radionuclides contained in "high-level" wastes (categories B and C). The elements concerned in studies on deep storage are essentially long-life radionuclides (both actinides and certain fission and activation products). Their physico-chemical characteristics and their behavior in various ecological compartments are examined.

Bibliographical data bearing on :

- solubility (in an oxidizing, reducing medium), - distribution factors (water/rock-sediment-soil),

- concentration and transfer factors (in aquatic and terrestrial mediums), - dose conversion factors (in the case of internal and external irradiation), - principal paths of exposure for each radionuclide studied,

are presented in this report.

Initial results from international projects to model what happens to radionuclides in the biosphere are also presented. In general, they are optimistic as to the future, but nonetheless point to a need to improve the conceptual base of the models, to ensure that all major phenomena and processes are taken into consideration and to examine any possible amplification.

SOMMAIRE

GENERALITES 1 CHAR I

INVENTAIRE DES RADIONUCLEIDES 2

A. QUELS DECHETS ? 2 1) Le combustible stocké en l'état 2 2) Le combustible retraité 3 B. QUELS RADIONUCLEIDES ? 4 1) Les caractéristiques radioactives 4 2) Les caractéristiques physico-chimiques 5 3) La radiotoxicité 7 C. INVENTAIRE DES RADIONUCLEIDES 7 1) Evolution dans le temps des nucléides 7 2) Premier inventaire des caractéristiques des radionucléides 9

CHAP. II

COMPORTEMENT DANS LA GEOSPHERE 17

A. LES PROCESSUS DE MIGRATION DANS LA GEOSPHERE 17 B. LA CHIMIE DES RADIONUCLEIDES 19 1) Rôle des complexants organiques et des colloïdes 20 2) Les conditions du milieu 22 3) Le temps 22

CHAP. Ill

COMPORTEMENT DANS LA BIOSPHERE 24

A. LES PROCESSUS DE TRANSFERT DANS LA BIOSPHERE 24 1) Les phénomènes 24 2) La modélisation 26 B. COMPORTEMENT BIOLOGIQUE 30 1) Origine des données 30 2) Contamination 30 3) Organotropisme 31 4) Elimination 32

CHAP. IV

CARACTERISTIQUES DES RADÏONUCLEIDES 33

A. LES GAZ 33 1) Le tritium 33 2) Le carbone 14 34 3) Le Krypton 85 34 4) L'iode 129 35 5) Conclusion 35 B. LES PRODUITS DE FISSION 36 1) Le béryllium 36 2) L'aluminium 36 3) Le chlore 36 4) Le calcium 36 5) Le fer 36 6) Le nickel 37 7) Le cobalt 37 8) Le sélénium 38 9) Le rubidium 38 10) Le strontium 39 11) Le zirconium 40 12) Le niobium 40 13) Le molybdène 40 14) Le technétium 41 15) Le ruthénium 41 16) Le palladium 42 17) L'argent 42 18) Le cadmium 43 19)L'étain 43 20) L'antimoine 43 21) Le césium 44 22) Le cérium 45 23)Lenéodyme 45 24) Le samarium 45 25) L'europium 46 26) Le plomb 46

C. LES ACTINIDES 48 1) Le thorium 49 2) Le protactinium 49 3) L'uranium 50 4) Le neptunium 51 5) Le plutonium 52 6) L'américium 54 7) Le curium 55 D. SYNTHESES DES DONNEES : 56 1) La solubilité 56 2)LesKd 61 3) Les facteurs de concentration et de transfert 66 4) Les facteurs de conversion de doses 74 5) Les organes critiques et périodes effectives 79 6) Présentation synthétique 82

CHAP.V

CODES ET PROGRAMMES INTERNATIONAUX 89

A. "PAGIS" 89 1) Les scénarios 89 2) Les résultats selon les sites 89 3) Les conclusions 93 B. "BIOMOVS" 94 1) Les scénarios 94 2) Présentation succinte des modèles 98 3) Les conclusions 115 C. "VAMP" 120 D. CONCLUSIONS 120

REFERENCES BIBLIOGRAPHIOUES 121

GENERALITES

Le concept du stockage profond des déchets hautement radioactifs repose sur un système de barrières multiples relativement indépendantes, conçues pour éviter tout contact entre les radionucléides toxiques et l'homme et son environnement, et étendre cette protection aux générations futures. Ce système comprend trois composantes principales qui sont :

• Le champ proche.

constitué du déchet et de son emballage résistant à la corrosion, associés aux barrières artificielles immédiates introduites dans le dépôt.

• La géosphère.

le rôle principal qui échoit au milieu géologique récepteur du stockage, est d'assurer le confinement à très long terme des déchets nucléaires à vie longue, c'est à dire principalement des actinides et certains produits de fission. Cette barrière géologique doit donc ralentir le processus de transfert de la radioactivité, qui serait vraisemblablement véhiculée par l'eau. Ainsi, les roches constitutives devront se singulariser par une aptitude à limiter l'écoulement des eaux souterraines et donc se caractériser par une faible perméabilité et/ou des régimes d'écoulement lent.

• La biosphère.

la biosphère est considérée comme le domaine où vivent les hommes ainsi que les zones d'où proviennent en permanence les ressources alimentaires.

Elle comprend :

- toute la surface du sol, - l'atmosphère,

- certaines parties du sous-sol à faible profondeur, - certaines zones sous-marines.

Ce sont toutes les zones où la radioactivité, si elle apparaissait, pourrait venir rapidement au contact de l'homme. La biosphère ne peut être considérée comme une barrière au sens stricte du terme, mais elle joue un rôle important dans le transfert de la radioactivité par des phénomènes de piégeage, de dilution, de concentration. Aussi, il est important de connaître les voies de transfert possibles à travers la biosphère pour prédire le destin final des radionucléides.

Étant donné que les barrières artificielles mises en oeuvre pourraient, à long terme, avoir perdu de leur efficacité, et que le confinement apporté par la barrière géologique ne sera pas absolu, on est conduit à prendre en compte une migration des radionucléides vers la biosphère.

Ceci introduit alors un danger potentiel pour les générations futures qu'il faut être en mesure d'évaluer, et pour cela, il convient de bien identifier les composantes de ce risque.

Nous allons donc tout d'abord établir un inventaire exhaustif des radionucléides contenus dans les déchets "haute activité" qui seront entreposés en stockage profond. Puis nous étudierons la spéciation des radionucléides issus de la géosphère, afin de discerner leur éventuel comportement vis à vis des sols et sédiments. La connaissance des transferts dans les organismes aquatiques et l'écosystème terrestre nous permettra d'établir les différentes voies d'exposition de l'homme. Ces différentes données bibliographiques pourront être comparées avec les codes existants et les exercices internationaux.

Chapitre I : INVENTAIRE DES RADIONUCLEIDES

A. QUELS DECHETS ?

Dans le réacteur, les réactions nucléaires créent de nouvelles catégories de radioisotopes. En simplifiant, on peut dire qu'il existe trois processus de formation de ces radionucléides :

• la fissionn

des nucléides fissiles (235U, B 9Pu, 241Pu) en noyaux plus légers, isotopes radioactifs qui existent à l'état stable dans la nature. Ce sont les produits de fission.

• l'activation,

sous le flux de neutrons, des matériaux ou des produits de corrosion.

• la transmutation.

des éléments lourds tels que l'uranium, par capture de neutrons, en éléments plus lourds, eux-mêmes radioactifs. Ce sont les transuraniens.

Après déchargement du réacteur et refroidissement en piscine, le combustible irradié peut être :

- soit stocké en l'état, - soit retraité.

Le retraitement a pour objet de séparer d'une part les matières revalorisâmes que sont l'uranium et le plutonium et d'isoler d'autre part, les produits de fission et autres transuraniens (ou actinides).

Ces derniers représentent la quasi-totalité de la radioactivité et vont constituer les déchets dits de haute activité (HA).

Selon les nations, le stockage profond concerne soit le combustible dans sa totalité s'il est stocké en l'état, soit les déchets de haute activité issus essentiellement du retraitement

1) Le combustible stocké en l'état

Après utilisation dans le réacteur nucléaire, le combustible contient environ 1 % de plutonium, 3 % de produits de fission et de transuraniens, le reste étant constitué essentiellement d'uranium 238U faiblement enrichi (235U à environ 0,8 %). Les éléments présents sont donc :

• les isotopes de l'uranium.

234 TJ, 235 TJ, 236U, 23*U.

• les transuraniens ou actinides.

- les majeurs, isotopes du plutonium, - les mineurs, (Np, Am et Cm), qui se caractérisent par:

" des émissions a, - de longues périodes,

- une radiotoxicité souvent importante, - de faibles quantités pour les mineurs.

• les produits de fission et d'activation.

Us se caractérisent par:

" des émissions py,

- une radiotoxicité importante,

- des périodes courtes ou moyennes (sauf quelques exceptions).

• tes éléments inactifs,

ce sont les éléments constitutifs du combustible et de la gaine, et ceux issus de la corrosion.

La composition finale sera différente selon le type de réacteur, le type de combustible et le taux d'irradiation. En général, les données citées ci-après concernent les combustibles d'oxyde d'uranium irradiés à 33000 MWj.r1 dans les réacteurs à eau pressurisée (REP ou LWR).

N.B. : En général, le combustible irradié consiste en une matrice d'UOi dans laquelle les actinides (Pu, Np, Th, Am) sont en solution solide dans VVO2. L'uranium peut aussi être sous la forme d'uranate (CSUO4). Eu, Sm, Pb, Ni, Zr, Sb sont sous la forme d'oxydes. Sn et Pb sont métalliques et le Se en composé sélénite.

2) Le combustible retraité

Les déchets haute activité, issus du retraitement, sont caractérisés par : - un faible volume,

" une haute activité spécifique py, - une émission thermique,

' la présence d'émetteurs a à vie longue.

Ils comprennent :

- les solutions de "produits de fission" (solutions issues du premier cycle), - les insolubles de dissolution,

- certains déchets technologiques.

Les solutions de "produits de fission" après retraitement ne contiennent pas ou peu d'uranium et de plutonium (leurs produits de filiation seront donc pratiquement inexistants ou en quantité moindre par rapport au combustible stocké en l'état). Elles contiennent (voir tableau 1):

• les produits de fission et d'activation.

qui ne se sont pas volatilisés au cours du procédé de retraitement (le combustible nucléaire irradié est dissous dans de l'acide nitrique, ce qui a pour effet de libérer les nucléides volatiles comme l'iode),

• les transuraniens mineurs^,

• des éléments inactifs.

à ceux précédemment cités s'ajoutent ceux issus de l'attaque nitrique, de la dégradation du solvant, des réactifs (produits propres au procédé de retraitement).

Les insolubles de dissolution sont essentiellement les métaux et alliages qui ne sont pas dissous par l'acide nitrique concentré. Elles sont composées essentiellement des éléments de la famille du platine (Ru, Rh, Pd), de zirconium (plus ou moins oxydé), niobium, technétium, molybdène, de fines de cisaillages (60Co et 54Mn) et d'uranium et plutonium en faible quantité.

TABLEAU n° 1

Exemple de composition massique d'une solution de produits de fission 1-2

Produits de fission en kg.t^U Actinides en kg.t^U

Zr U -1,5 Mo

Ru Np 0,1 à 1 Pd Am

Cs

Ba I à 4 Pu < 0 , l La Cm

^ Eléments additionnels en kg.flU

Pr

Nd Na

Xe Fe 1 à 10 Rb Zr

Sr Cr Y

Te P 0,1 à 1

Rh 0,1 à 1 m Ni _ _ _ _ _

Te Sm Eu Kr I Se Ag Cd In

Sn < 0,1 Sb

Pm Gd Br

1 LEFEVRE J. -1986 - "Les déchets nucléaires". Collection du Commissariat à l'Energie Atomique. Série Synthèses.

2 PATIGNY P., PAGERON D.f SALOM J. - 1987 - "Lessons from La Hague on Process Chemistry in LWR Spent Fuel Reprocessing". Proc. Int. Nuclear Fuel Reprocessing and Waste Management Conf., Paris, France, Août 23/27, 1987. vol.4, pl593.

B. QUELS RADIONUCLEIDES ?

L'inventaire des radionucléides retrouvés en stockage profond et susceptibles d'être présents à longue échéance, sera établi en fonction des différentes caractéristiques listées ci-après.

1) Les caractéristiques radioactives

A partir de ces paramètres, nous serons capables d'établir la liste des nucléides et de leurs produits de filiation retrouvés en stockage profond (voir l'inventaire au paragraphe 3 de ce chapitre). Ces paramètres sont :

Sont distingués : - les éléments à vie courte (T1/2 < 5 ans), dont la disparition sera effective au-delà de 200-300 ans,

- les éléments à vie moyenne (5< Tm <100 ans), qui disparaîtront pratiquement en totalité en moins de 1000 ans, - les éléments à vie longue (T1/2 > 100 ans), qui comprennent

essentiellement les actinides. Il sera important de tenir compte de la descendance radioactive des transuraniens, certains de leurs produits de filiation ayant des durées de vie encore supérieures. Ce n'est pas le cas des produits de fission.

» la qualité du rayonnement.

les produits de fission et d'activation sont essentiellement des émetteurs (fy, alors que les actinides sont des émetteurs a.

» l'origine.

produits de fission, transmutation et éventuellement produits de filiation engendrés (ces derniers pouvant posséder des périodes plus longues que l'élément père).

2) Les caractéristiques physico-chimiques

Leurs propriétés physico-chimiques nous permettront de tenir compte de leur capacité à migrer à travers les barrières artificielles et la géosphère jusqu'à la biosphère. Sont pris en compte :

• létat. - gazeux, comme les gaz rares (produits de filiation de l'uranium), l'iode...

- solide, dans la plupart des cas ils seront solides, parfois sous formes de poussières ou de particules très fines,

- liquide, soit parce que les conditions de température et de pression s'y prêtent, ou parce que l'élément est particulièrement soluble (comme le césium), ou sous forme d'aérosols.

• les propriétés chimiques.

- la solubilité, - la réactivité,

- l'aptitude à former des complexes.

• la diversité des supports.

il faut également tenir compte des propriétés physico-chimiques du support non radioactif, qui constitue en volume ou en masse, la plus grande partie du déchet : gaz, eau, liquide organique, solution acide, alliage, ciment...

Parmi les caractéristiques importantes, citons : - la solubilité,

- lepH,

- la présence de sel, de matières organiques,

- la tenue à la corrosion, à la température, aux pressions mécaniques, éventuellement la tenue aux rayonnements.

Le stockage géologique, à travers le monde, est actuellement à l'étude dans différentes roches (roches dures, sédimentaires, cristallines ou volcaniques). L'apparition des radioéléments dans la biosphère sera conditionnée par leurs propriétés dans le milieu géologique choisi. Ainsi, la

TABLEAU n° 2

Inventaire des radionucléides à considérer pour les différents milieux géologiques récepteurs (PAGIS)

Radionucléide C-14

Co-60 Ni-59 Ni-63 Se-79 Rb87 Sr-90 Zr-93 Mo-93 Nb-94 Tc-99 Pd-107 Sn-126 1-129 Cs-135 Cs-137 Sm-147 Sm-151 Eu-154 Ra-226 Th-229 Th-230 Th-232 Pa-231 U-232 U-233 U-234 U-235 U-236 U-238 Np-237 Pu-238 Pu-239 Pu-240 Pu-241 Pu-242 Pu-244 Am-241 Am-242 Am-243 Cm-243 Cm-244 Cm-245 Cm-246 Cm-247 Cm-248

argile

X X X

X X X X X X

X X

X X X X X X X X X X X X

X X

sel

X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X

granite

X

X

X X X X

X

X

X X X

X X

sous-marin

X

X X

X X X X X X X

X

X X X X X X X

X

X X X X X X X X X

3) La radiotoxicité

La connaissance de la radiotoxicité des éléments nous permettra d'identifier, parmi les radionucléides retrouvés à long terme dans la biosphère, ceux qui auront le plus d'impact sur les écosystèmes et donc sur l'homme. Nous tiendrons compte donc de :

• la radiotoxicité potentielle.

• le facteur de dose.

- par ingestion, - par inhalation,

- par exposition externe aux irradiations.

C. INVENTAIRE DES RADIONUCLEIDES

L'inventaire des radionucléides dépend en premier lieu du type de déchets (combustible irradié ou déchets de retraitement). Selon les pays, la composition du déchet varie (tableau 2, page précédente).

Il est évident que la composition et l'activité des déchets vont évoluer, d'une part, en fonction du temps de refroidissement (avant stockage ou avant retraitement), puis d'autre part, au cours du temps lors du stockage profond. Il est donc important, pour établir l'inventaire des radionucléides à considérer, de faire entrer le facteur temps et donc les produits de filiation, même si leur période de demi-vie est relativement courte (voir figure 1).

1) Evolution dans le temps des nucléides

Pour illustrer cette évolution, voici quelques tableaux résumant la variation de masse de certains des éléments les plus importants.

TABLEAU n° 3

Evolution de la masse de 237Np, 241Pu, 241 Am, contenus dans un combustible irradié pendant 1 an (en gramme par MWe)l

Temps après déchargement du 237^ 241 ^ réacteur

lan 3 ans 10 ans 100 ans 1000 ans 10000 ans

11,0 11,0 11,2 15,0 38,1 45,3

31,9 29,0 20,7 03

-

2,4 5,3 13,4 30,0 7,2

_ TABLEAU n° 4

Evolution de la masse des iodes en gramme par tonne de combustible irradié 1

Temps après déchargement rt n. „,_ .

du réacteur 90 jours 150 jours 365 jours 10 ans Iode total 271 272 273 273

ndioélémeoi prtieni d m le combtalible initiil ou fonaé p s (aT) d m le rtadetv

OO

Curium Americium 95

Protactinium 91 Thorium Actinium Radium Francium Radon Astatine Polonium Bismuth Plomb Thalium

Plutonium 1 Neptunium

Uranium

« |

"1

Pu-242 }

JtZî,1Oja«

a r

irari

a R« 225

14.8 i Ac 225

\ a

o

ET P

o

CO

SB

a.o

(A

Certains éléments vont donc décroître assez rapidement (106Ru, 131I, 144Ce) d'autres ne vont apparaître qu'un peu plus tard (226Ra, 2i(>Bi, 229jh), d'autres encore sont reformés au fur et à mesure i231 Np). Sur les courbes suivantes est figurée, la décroissance dans le temps de l'activité des principaux radionucléides soit dans un combustible irradié (figures 2 et 3), soit dans les déchets haute activité issus du retraitement (figure 4).

Jusqu'à un temps de refroidissement d'environ 200 ans, l'activité est principalement due aux produits de fission (137Cs et ^Sr, et à leurs descendants). Après environ 300 ans, les activités des émetteurs a et des émetteurs py sont voisines. Au-delà, ce sont les émetteurs a qui deviennent prépondérants (voir figure 4).

2) Premier inventaire des caractéristiques des radionucléides

Nous présentons, un premier inventaire des radionucléides retrouvés soit dans le combustible irradié, soit dans les déchets de retraitement, accompagnés de quelques unes de leurs caractéristiques (voir tableau 5). Les paramètres qui nous permettront de sélectionner les radionucléides à étudier seront donc :

- leur période,

- leur quantité initiale, - leur capacité de migration, - leur radiotoxicité.

qui rendent certains d'entre eux plus dangereux que d'autres. Les deux derniers points seront détaillés plus loin.

FIGURE n° 2

Décroissance dans le temps de l'activité des principaux transuraniens et de leurs produits de filiation d'un combustible irradié l

1E+18

1E+16

IE+14

1E+12

IE-flO

total TRU

'S*

S 1E+08

%\ 000000

f

1W00

100

1

0.01

Pb2l2

Tlu,:

0 10 100 1000 10000 100000 1E+06

Temps (en années)

FIGURE n° 3

Décroissance dans le temps de la radiotoxicité des principaux produits de fission d'un combustible irradié 1

(la radiotoxicité potentielle est calculée à partir des facteurs de conversion de dose par ingestion)

15.00 T

0,00

100 1000 10000 Temps (en années)

100000 1000000

030 T

0,60 •-

0/10 -

OJÛO

10 100 1000 10000

Temps (en années)

100000 1000000

0.10 T

0,08 -

(fi S.OJ06

•g 0j04 -•

1

OJ02 -

|Gi-13S|

[zr-93]

OfX) -M 1

T T "

10 100 1000 10000

Temps (en années)

100000 1000000

FIGURE n° 4

Décroissance dans le temps de l'activité des principaux radionucléides dans les déchets de haute activité issus du retraitement2

Activité totale dut aux produits de fission

ans

TABLEAU n° 5 Inventaire des radionucléides ISOTOPE

H 3 Be 10 C 14 Al 26 Cl 36 Ca 41 Mn Fe Co

Ni

54 56 55 59 57 58 60 59 63 Zn 65 Se 79 Kr 85 Rb 87 Sr 90 Y 90 Zr Nb Mo

93 95 93m 94 93 99 Te 99 Ru 106 Rh 106 Pd 107 Ag Cd Sn

108m 110m 109 113m 113 119m

période

<1;3>

12,3 a 2,7.106 a 5600 a 7 . 1 0⁵a 3.10⁵ a 1,1.105 a 300 i 2,6 h 2,9 a 45 i 270 j 70 i 5,2 a 8.104 a 120 a 245 j 7 . 1 04a 10,7 a 4,8:10^{1 0} a 28 a 64,2 h 9,5.10⁵ a 65 j 8,7 a 2 . 1 0⁴a 3,5.103 a 67 h 2,13.10^{1 0} a

1,0 a 30 s 7 .106 a 5,0 a 253 i 1,3 a 14 a 119?

250 i

a,P,Y

<1;3>

3- 3- B- p+

B- 3*-

B-,Y

B- P+-

Bf

P-

Y B-

Bf

B- B- B- B- B+- B-

P-

Y

P-

Y

B- B-

P- P-

Y

B-

P-

énergie (MeV)

<1;3;4>

0,02 0,56 0,16 1,16 0,71

0,46

0,31 1,33 0.07 0,16 0,67 0,87 0,54 2,27 0,06 0,40 0,72 0,50 0,87 1,23 0,29 0,04 3,53 0,51 0.03 0,09 0,58

origine

<1;2>

PA

PA

PA PA PA PA PA PA PA PA PA PA PF PF PF fPF PA + PF

PF PF PF

PF+PA PF PF PF PF PA PA PF

activité spécifique

(Bq/g)

<1;7>

3,63.10¹⁴ 1,68 .10 ⁿ 1,14 .100 9

3,81 .101 4

8,04 .101 7

8,22.10¹³ 1,82.10¹⁵ 3,14 .10^{1 4} 1,16.1016

4,17.101 3

2,80.100 9

2,64.10^{1 2} 3,03.10¹⁴ 2,58 .10^{0 9} 1,48.1013

3,06.1017

5,27.101 2

^ , 0 1 . 1 01 6

9,29 .100 7

8,04.1014

9,74.10l 2

1,76.10¹⁶ 6,27 .100 8

1,25.1014

1,90 .107

1,63.10¹⁴ 9,34.10^{1 3} 3,82.10^{1 4}

activité Ci/tU

<2;4;5;6;8;9>

375-700 1,54 0,01

3,56 455

= 0,4 7140-11000 5420-98.10³ 57.103-73.103

1,88-3

« 16.10⁵

*12*

0,79 0,16 l,8.10⁶-l,9.10⁷

12-20 208.10³-5.10⁵

*63400*

*6,34 .10⁴*

= 0,1 0,01

TABLEAU n° 5 (suite) Inventaire des radionucléides

ISOTOPE

Sn Sb

126 125 126 Te 125m

I 129

131 Xe 133

Cs 134 135 137 Ba 137m

La Ce

Pr

140 142 144 144 Nd 144 Pm 147 Sm

Eu 147 151 150 152 154 155 Gd 159 Pb

Bi 210 211 212 214 210 210m 214

période

<1:3>

1.10⁵ a 2,0 a 19 mn 58 i 1,6.10⁷ a 8,1 j 5,3 i 2,2 a 2,9.10 6 a 30a 2,6 mn

40,2 h 5.101 5 a 285 j 17 mn 2 . 1 0^{1 5}a

2,6 a 1,2.10 n a

90 a 14 h 13 a 8,6 a 1,7 a 18h 20 a 36,1 mn

10,6 h 26,8 mn

5i

?2,6.106a 19,7 mn

a,(3,Y

<1;3>

P-

Y

0-

P-

Y Ê-

&-

P"

Y

3

p

Y Y

P-

Y a

P

Y

P

Y a

3

a

P~

Y 3-

P-

Y

P

Y

3-

3-

B- 3-

P-

Y

3-

a

P-

Y

énergie (MeV)

<l:3:4>

0,08 0,09 0,30 1.90 0,15 0,04 0,61 0,35 0,65 0,60 0,21 0,51 0,66 0.66 1,38 1,60 1,50 0,32 0,13 2,98 0,69 1,90 0,23 2,20 0,08 0,02 1,07 1,47 0,12 0,57 0,10 0,15 0,95 0,02 1,39 0,34 1,06 0,35 1.17 4,94 3,18 0,61

origine

<1;2>

PA + PF fPA + PF

fPF fPA + PF

PF PF PF

PF PF fPF PF PF PF fPF PF PF PF PF

PF PF PF fAc fAc fAc fAc fAc fAc fAc

activité spécifique

(Bq/g)

<l;7>

1,05 .10⁰⁹ 4,44 .1013

3.06.10i5

1,81 . 1 0^B 6,53 .106

4,63.10¹⁵ 6,90.1015

4,29.10l³ 4,26 .10⁰⁷ 3,21.1012

2,07.1016

l,16.10^{1 4}

4,61 .10^{0 2} 3,59.1013 6,95.101⁶ 8,79.10U

6,73.1012 5,39.1012 5,04.1013 4,06 .101 6

2,83.1012 9,13 .101 7

7,18 . 1 0n

1,21.10¹⁸ 4,59.10l5

1,63 .101 8

activité Ci/tU

<2;4;5;6;8;9>

0,72

•3470*

0,03-0,07 /0.001/

= 106

12,21 2.106

93500 O,35-l^t5O 79.103-11.104

« 18.1O5

*o*

74500-1260000

*7450O*

*79600*

/7.10⁴/ 300-400

aio

/

*5260*

*5960*

4,71.10-⁸

TABLEAU n° 5 (suite) Inventaire des radionucléides ISOTOPE

Po Rn

210 211 215 219 222 Fr 223 Ra Ac Th

Ri

U

Np

Pu

223 225 226 225 227 228 229 230 232 231 233 232 233 234 235 236 238 236 237 239 236 238 239 240 241

période

<1;3>

138,4 j 0,5 s 1,8 ms 3,9 s 3,8 i 22 mn 11.7 i 14,8 i 1620 a 10 i 26,6 a 1,9 a 7,3 .10³ a 8 . 1 0⁴a 1,4.1010 a 3y3.10 4 a 27 j 74 a 1,62.10 5 a 2,5.105 a 7,1.108 a 2,39.10 7 a 4,5.10⁹ a 1,55 .10⁵ a 2,2.10 ⁶ a

2,4j

2,85 a 89,6 a 24,3.10 ³ a 6,6.103 a 13,2 a

oc,p,Y

<1;3>

a a a a a 3-

a 3-

a a a 3 a a a a a 3-

a a a a a a (3-)

a 3-

a a a a P~

énergie (MeV)

<1;3:4>

5,31 7,44 7,36 6,81 5,49 1,15 5,71 0,32 4,78 5,82 4,94 0,05 5,42 4,85 4,68 4,01 5,00 0,26 5,26 4,82 4,77 4,18 4,50 4,19 0,54 4,52 0,72 5.76 5,49 5,15 5,16 0,02

origine

<1;2>

fAc fAc fAc fAc fAc fAc fAc fAc fAc Ac

Ac

Ac

U

Ac

Pu

Activité spécifique

(Bq/g)

<1;7>

1,66 .101 4

3,83 .102 1

2,49 .10^{2 4} 5,69.1015

1,45.1018

1,89.1015

1,45.10¹⁵ 3,66.10¹⁰ 2,15 .1015

2,68.1012

3,03 .101 3

7,87 .1009

7,47 .1008

4,06.100 3

1,75.1009

7,68.1014

7,92 .10 ⁿ 3,56 .10^{0 8} 2,31.1008

7,99 .10^{0 4} 2,39 .1006

1,24 .100 4

2,61 .1007

8,58.1015

6,33 .10 n

2,29 .100 9

8,43 .1009

3,81.1012

Activité Ci/tU

<2;4;5;6;8;9>

3,67.10"7

5.19.10"6

1,4 .10-7

/2.10-8/ 1,29 .10"4

/ÎO"6/

1,9 .10"5

no-

/

0,025 /10^/

2,55 .10"5

/6.10"6/

«0,9 /3 .10"4/

«0,017

no-

/

= 0,2

«0,32 0,21-0,6

« 2 . 1 07

1000-2850 279-500

m

390-700 /3/

= 105 /800/

TABLEAU n° 5 (suite) Inventaire des radionucléides ISOTOPE

Am

Cm

241 242 242m 243 242 243 244 245 246 247 248

période

<I;3>

432 a 152 a 16h 7,6.103 a 162,5 j 35 a 19,2 a 8 .103 a

4760 a 1,56 .107 a

>4,7.105a

oc,p,y

<I:3>

a a (a)

a a a a a a a a

énergie (MeV)

<1;3;4>

5,48 5,56 5,62 5,27 6,11 5,78 5,80 5,36 5,48 5,35 5,05

origine

<1;2>

Ac

Ac

Activité spécifique

(Bq/g)

<1;7>

1,27 .10 ^u 2,99.10^{1 6} 3,59 .10 ⁿ 7,37 .10^{0 9} 1,22.10¹⁴ 1,91 .10^{1 2} 2,99 .101 2

6,37 .10^{0 9} 1,13 .101 0

3,43 .10^{0 6} 1,57 .10^{0 8}

Activité Ci/tU

<2;4;5;6;8;9>

18-1640

= 7 16-30 2460-27660

/100/

15?4 97-2180

0,13 0,03

combustible irradié stocké en l'état LEGENDE PI J TAB LE AI T n° 5 :

Origine :

PA produit d'activation PF produit de fission Ac actinide

f produit de filiation Activité du combustible (en Ci/tU) :

X correspond à une seule valeur

= X moyenne sur plusieurs valeurs semblables X - X fourchette sur plusieurs valeurs disséminées

* X * combustible irradié refroidi 3 ans

/ X / combustible retraité après 3 ans de refroidissement REFERENCES DU TABLEAU n° 5 :

[1] PANNETEER R. -1980 - Vade-Mecum du Technicien : Table des Isotopes.

[2] LEFEVRE J. - 1986 - "Les Déchets Nucléaires". Collection du Commissariat à l'Energie Atomique, Série Synthèses.

[3] Pagis - 1988 - "Performance Assessment of Geological Isolation Systems for RadioActive Waste". Publié par la Commission des Communautés Européennes. ECSC-EEC-EAC, Bruxelles-Luxembourg.

[4] WILSON B., ENGLAND T.R., LABAUVE R.J., MITCHELL J.A. - 1988 - "Calculated Radionuclide Inventories of High Exposure L.W.R. Fuels". Nuclear Safety, vol.29, n°2.

[5] TEILLAC J. - 1988 - "les Déchets Nucléaires". Que sais-je ?, Presses Universitaires de France.

[6] RAPPORT EDF - 1980 - "Effluents et DécheLs RadioActifs des Installations Nucléaires".Rapport n° AC ST/NC 75-11, mars 1976, remis à jour février 1980.

[7] Données EDF-SEPTEN.

[8] BARNARD R.W. - 1993 - "Yucca Mountain Site CharActerization Project : Review of Radionuclide Source Terms Used for Performance-Assessment Analyses". Sandia Report SAND92-2431.

[9] GALLE P., PAULIN. R -1992 - "Biophysique : l.Radiobiologie Radiopathologie". Ed. Masson, Paris.

Chapitre II : COMPORTEMENT DANS LA GEOSPHERE

A. LES PROCESSUS DE MIGRATION DANS LA GEOSPHERE

La migration des radionucléides au travers de la géosphère n'est possible que par l'intermédiaire des eaux souterraines. Malgré les faibles perméabilités ou les régimes d'écoulement lent des différentes barrières géologiques envisagées, il est permis de supposer, à l'échelle de plusieurs milliers d'années, un transport des radionucléides par les eaux profondes.

Les différents processus géochimiques contrôlant la migration des radionucléides peuvent être classifies comme suit 1121 :

• mobilisation.

par dissolution, complexation, désorption, défloculation colloïdale.

• transport,

par advection, diffusion, mouvement colloïdal.

par précipitation, adsorption, filtration, floculation et dépôt de colloïdes.

Pour décider de la valeur d'un site pour le stockage profond des déchets hautement radioactifs, trois domaines sont à étudier 13,4] :

® L'hydrologie du site.

C'est un problème qui n'a pas de lien direct avec les radionucléides et leurs propriétés. Ce type d'étude est commun à tous les stockages de déchets et à la prévention de toutes les pollutions.

Parmi les organismes les plus compétents en France pour répondre à ce type de problème, on peut citer : l'Ecole des Mines, le BRGM.

II existe néanmoins un grand nombre d'inconnues pour obtenir une bonne connaissance de l'hydrologie d'un site.

d ) Le retard des éléments (par rapport à l'eau),

Le transport des radionucléides issus du stockage profond sera influencé par les interactions entre les espèces dissoutes et les surfaces solides du milieu géologique qui y seront exposées.

Ainsi, la précipitation et la sorption retarderont la migration du radionucléide, alors que la formation de complexes peut augmenter la solubilité et diminuer la sorption £].

La sorption peut avoir lieu sur des surfaces stationnaires (fractures, fissures) comme sur du matériel particulaire mobile présent dans les eaux souterraines (particules, colloïdes inorganiques, micro-organismes). Dès lors, la sorption sur des surfaces stationnaires va réduire le taux de transport des radionucléides, alors que la sorption sur des particules mobiles peut l'augmenter (les particules servant alors de véhicule) fê].

H n'existe pas, dans la bibliographie, d'ouvrages synthétiques. Un grand nombre de publications traitent de ces phénomènes, avec des divergences importantes d'un auteur à l'autre.

© La chimie des radionucléides.

C'est ce point que nous allons essentiellement développer par la suite.

L'étude de différents sites analogues naturels est une source importante d'information concernant l'évolution et la dispersion du terme-source, le transport des espèces chimiques dissoutes et leur comportement géochimique au travers des terrains qu'elles traversent [2,7].

Néanmoins, jusqu'à ce jour, il y a peu d'explication des phénomènes (même succincte), pas d'extrapolation ou de vérification sur les modèles et codes existants. Les résultats (assez dispersés Œ]) sont, à cet égard, assez décevants quant aux conclusions tirées sur le comportement des radioéléments à vie longue.

Le tableau 6 présente un résumé des différentes incertitudes possibles sur le transport des radionucléides par les eaux souterraines ^ .

TABLEAU n° 6

Résumé des incertitudes sur le transport des radionucléides

facteur sources d'incertitudes

hydrologie des eaux souterraines

(1) Application des modèles courants à des conditions pour lesquelles ils n'ont pas été prévus initialement (par exemple : matériaux de très faible perméabilité).

(2) Les données collectées sont elles représentatives ? Toutes les caractéristiques importantes ont elles été prises en compte ?

Application des techniques statistiques.

(3) Erreurs dans les données : échelle par rapport aux tests de laboratoire, mesure de processus très lents, adéquation des points d'échantillonnage.

(4) Erreurs dans les modèles : développement des codes, entrée des données

^ etc.. ra___»____ram_m__^^

géochimie (1) Utilisation d'un paramètre global comme Kd : ne peut être directement relié aux propriétés mesurables de l'aquifère. Il incorpore les effets dus aux conditions artificielles de laboratoire. Difficile à extrapoler à d'autres conditions. Difficile de mesurer des réactions très lentes.

(2) Utilisation de la géochimie théorique : grand nombre de processus compliqués, relations entres les variables pas toujours très développées.

Généralement conditions à l'équilibre considérées. Difficile d'obtenir certaines données nécessaires.

(3) analogues naturels : les conditions à l'origine et les conditions de formation sont incertaines.

(4) processus non chimiques affectant les concentrations (dispersion, effet de pression, etc...), difficile de les séparer.

longue période de temps

modélisation de processus complexes et variables

(1) Prévision d'événements distincts (tremblement de terre, volcanisme, intrusion) : difficile de faire des extrapolations à long terme sur les mouvements géologiques. La théorie du mouvement des plaques tectoniques est difficile à appliquer à des surfaces réduites.

(2) Prévision des effets de processus continus (diagénèse, changements climatiques et géomorphiques) : processus lents pouvant influer sur l'hydrologie et la géochimie des aquifères.

(1) Difficulté de combiner plus de deux processus dans un modèle.

(2) Le couplage de modèles requiert un traitement simplifié des deux processus.

(3) Les données et les modèles décrivant le site initial représentent-ils de façon adéquate le site après construction et perturbations géologiques ? (4) Vérification des modèles sur de très longues périodes et avec des

conditions variables.

B. LA CHIMIE DES RADIONUCLEIDES

L'évolution des formes physico-chimiques (état d'oxydation et "taille" de l'espèce chimique) des radionucléides dans les eaux naturelles est fonction de nombreux facteurs. De nombreux éléments sont susceptibles de présenter plusieurs valences dans les eaux naturelles en fonction notamment PI :

• du pH,

• et du potentiel d'oxydoréduction, mais aussi de la concentration:

• en oxygène dissous,

• en sels dissous,

• en carbonates insolubles,

• en hydroxydes peu solubles,

• en aluminosilicates,

• en argiles,

• en colloïdes,

• en complexants organiques,

• en particules vivantes en suspension.

Il est impossible d'analyser avec précision l'impact de chacun de ces facteurs pris isolément, c'est pourquoi l'évolution des formes physico-chimiques est étudiée de manière globale dans différents milieux. Les principaux mécanismes de transport des espèces ioniques sont brièvement mesurés (généralement en absence d'activité biologique) en fonction HO] :

• des réactions chimiques (oxydoréduction, ionisation),

• des échanges d'ions,

• de la précipitation,

• et de la solubilisation.

Les états d'équilibre sont modélisés simplement avec des lois d'action de masse. Mais, attention, il est difficile de prendre en compte les compétitions qui existent entre les différents processus. La complexité du système impose donc une hiérarchisation en sous-systèmes et incite à différencier des étapes de modélisation (voir tableau 7).

TABLEAU n° 7

Modélisation des stockages et Géochimie PI niveau de modélisation—»

système étudié J, système élémentaire système simplifié système complexe

phénoménologie lois simples modèle validé données de base description données de base description découplage hiérarchisation

couplages élémentaires modèle validé

découplage modèle validé décomposition en système simplifié

couplages généralisés

modèle validé ? modèle simplifié prédictions ?

validation ?

1) Rôle des complexants organiques et des colloïdes

Les substances humiques et fulviques sont souvent considérées comme la partie soluble de la matière organique des sols M . Présentes dans les aquifères naturels (à différentes concentrations), elles sont connues pour être de forts agents complexants des radionucléides et présentent une haute affinité pour les surfaces minérales. Les complexes formés sont stables (essentiellement avec les métaux trivalents), souvent solubles et l'on considère qu'ils se comportent comme les acides fulviques dans les eaux souterraines [12,13,14] Le s composants des acides humiques et fulviques et leurs caractéristiques chimiques ne sont pas très différents d'un site à l'autre. C'est plutôt la profondeur qui a une importance sur la concentration totale de substances organiques et leur composition. Les acides fulviques peu présents dans les eaux souterraines profondes peuvent avoir entre 1000 et 10000 ans (datation au 14C)

Deux types de colloïdes peuvent être distingués

• ceux formés dans le champ proche lors de la lixiviation des radionucléides.

• ceux formés dans le champ lointain par la sorption sur du matériel particulaire naturel (présent dans les eaux souterraines). (Néanmoins, la concentration de colloïde est relativement faible dans les eaux souterraines profondes. On trouve de la calcite, des hydroxydes ferriques, du sulfate de fer et du quartz t14l.)

Les radionucléides peuvent également être adsorbés sur des micro-organismes (qui seront eux-mêmes adsorbés sur des surfaces alors en contact avec les eaux contaminées) t14l.

L'exercice SKB 91 fait le point suivant sur l'influence des colloïdes, microbes et substances organiques naturelles sur le transfert des radionucléides t14^ :

• les complexes organiques entraînent la diminution des Kd. Ceci est plus ou moins important selon la valence de l'élément et la concentration en substances humiques.

• les particules colloïdales et les micro-organismes peuvent adsorber. Si cette adsorption est irréversible, la situation est problématique. Dans le pire des cas, les particules transportant les radionucléides sont véhiculées par l'eau.

Mais peu seront transportés car la concentration de colloïdes dans les eaux souterraines est relativement faible.

2) Les conditions du milieu

Les paramètres importants sont bien évidemment le pH et le potentiel redox des différents milieux traversés par les radionucléides.

La solubilité des radionucléides peut être très variable en fonctions des conditions aérobie ou anaérobie du milieu. En sachant que les radionucléides vont traverser différentes barrières où les conditions oxydantes ou réductrices vont sensiblement changer (voir figure 5), les éléments seront alors plus ou moins facilement transportés.

FIGURE n° 5

Conditions oxydantes et réductrices des différents milieux traversés DECHET — ^ CONTENEUR -—^ GEOSPHERE —} BIOSPHERE

conditions conditions conditions oxydantes réductrices oxydantes

II est important dans le cadre de notre étude de connaître, pour chaque élément considéré, la forme physico-chimique sous laquelle il va migrer puis se présenter à la surface. Nous considérons que le point d'arrivée des radionucléides est une source ou une rivière (donc approximativement, une eau naturelle à pH 8 en condition aérobie). Il sera intéressant par la suite de déterminer, pour chacun d'eux, ce qui gouverne les équilibres en fonction des concentrations en nitrates, chlore etc..

3) Le temps

II est important de resituer l'échelle de temps des phénomènes.

Le temps moyen de passage des eaux souterraines (Site de Yucca Mountain) est d'environ 43000 ans (moins d'1 % des temps calculés était inférieur à 10000 ans). Nous pouvons remarquer dès maintenant qu'après 10000 ans, les doses calculées sont inférieures à la réglementation H7].

Pour Triegel et al. M le temps de passage de l'eau souterraine est d'environ 1,3.104

années.

Les différentes études présentées par Manen et al. H8] donnent pour l'élément 129I (élément soluble ne subissant aucun retard par rapport à l'eau souterraine) les durées d'impact dans la biosphère selon le type de stockage (voir figure 6, les doses individuelles sont données à titre indicatif).

FIGURE n° 6

Durée de l'impact dans la biosphère de l'élément 129I Dose individuelle (Sv/an)

1.

0 , 1 . . 0,01 . . 0 , 0 0 1 . . 0,0001..

1E-05 1E-06 1E-07X 1E-08 1E-09J»

1E-10

surface, Grande-Bretagne

mine de fer, Konrad, Allemagne argile, Mol, Belgique

. _ M

sel, Pays-Bas

argile, Grande-Bretagne

sel, France

y

0E+00 3E+02 1E+03 7E+03 5E+04 1E+05 3E+05 4E+05 1E+06 1E+07 1E+08 1E+08 Années (après le stockage)