Soutenance de thèse de Adrien DELAVAL

Les estuaires sont des systèmes dynamiques qui assurent le transfert d’eau et de contaminants du fleuve vers la mer, y compris pour des radionucléides rejetés par les installations nucléaires en situations normale ou accidentelle. Le césium 137 est récurrent en situation accidentelle et persistant dans l’environnement. Il a une forte affinité avec les particules en milieu fluvial mais se désorbe dans le gradient de salinité, ce qui favorise sa dispersion en mer et son transfert vers les organismes marins. Un des objectifs de l’Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN) est de prédire et quantifier la radioactivité transitant sur le continuum fleuve-mer en recourant à la modélisation. Cette modélisation pour des radionucléides dissous est déjà assurée par deux modèles indépendants pour les parties fluviale et marine (CASTEAUR et STERNE), mais leur couplage n’existe pas. Or, il est nécessaire pour améliorer les capacités de prédiction et anticiper des mesures de mitigation. La fonction de transfert de l’estuaire, différente d’un continuum à l’autre, doit y être définie et intégrée pour simuler le mélange des eaux et la désorption, en particulier pour le 137Cs. Cette thèse présente un nouveau modèle boîte (DRACAR) décrivant les processus estuariens hydrodynamiques et géochimiques qui affectent le devenir du 137Cs dans un estuaire. Cette approche est généralisable à d’autres radionucléides, et permettra d’augmenter la cohérence des entrées-sorties des deux modèles et de les interfacer. Le site d’étude est le continuum Rhône-Méditerranée qui présente 4 centrales nucléaires sur le Rhône et un estuaire stratifié comme la plupart des estuaires nucléarisés dans le monde. DRACAR réalise la jonction des flux du Rhône vers la mer et prend en compte les phénomènes de désorption. Il a été alimenté et validé par des données de terrain pour représenter les processus hydrodynamiques comme la diffusion et l’advection. L’augmentation de salinité favorise la désorption du 137Cs mais ce processus général est mal contraint. Cette désorption a été caractérisée grâce à une synthèse bibliographique exhaustive et des expérimentations de laboratoire sur des particules du Rhône, qui ont permis de préciser le rôle, l’intensité et les cinétiques de ce processus utilisables dans DRACAR. La désorption du césium commence au seuil de 3 à 4 de salinité, et elle est d’autant plus forte que la durée de contamination des particules (phase d’adsorption) a été courte (quelques heures). Un modèle d’échange dynamique impliquant 2 sites de différentes affinités sur les particules est le plus apte à prédire la distribution du césium sur le gradient de salinité. Dans la majorité des conditions le panache fluvial n’existe qu’à l’extérieur du fleuve, et dans ce cas la désorption est simulée à la sortie en mer. Mais d’après DRACAR un coin salé remonte dans le lit du Rhône pour un débit inférieur à 1700 m3/s et va apporter du sel à la couche de surface. En dessous de 700 m3/s ces apports sont suffisants pour que la salinité du panache interne dépasse 3. Des simulations dans cette zone estuarienne interne montre qu’une désorption de 40 à 50 % du césium des particules pourrait y avoir lieu avant la sortie en mer. Pour anticiper les conséquences d’une dispersion en mer de césium, la dernière partie de la thèse s’attache à catégoriser les états hydroclimatiques (conditions de vents et débits) les plus fréquents à l’embouchure grâce à un algorithme de fuzzy clustering. 6 scénarios récurrents avec des variabilités saisonnières ont été identifiés. Une simulation de rejet dans le Rhône a été faite avec les modèles couplés et elle a été testée sur ces 6 scénarii pour évaluer les schémas de dispersion. Cette approche a permis d’identifier des conditions pénalisantes où le 137Cs est totalement exporté sous phase dissoute et où le panache radioactif est bloqué à l’embouchure ou exporté vers le Golfe de Fos.

Estuaries are dynamic systems that ensure the transition of water and contaminants from the river to the sea, including radionuclides released by nuclear installations in normal or accident situations. 137Cs is a recurrent radionuclide in accidental situations and persistent in the environment. It has a strong affinity with particles in a fluvial environment but may be desorbed in the salinity gradient, a mechanism promoting its dispersion at sea and its transfer to marine organisms. The Institute for Radiation Protection and Nuclear Safety (IRSN) must be able to predict and quantify the radioactivity transferred on a river-sea continuum using modeling. Such modeling for dissolved radionuclides is already provided by two independent models for the fluvial and marine environments (CASTEAUR and STERNE), but the coupling of these models does not exist. However, it is necessary for improving prediction capacities and anticipating mitigation measures. The transfer function of the estuary, which differs from each continuum, must be also defined and integrated in order to simulate the water mixing and desorption, in particular for 137Cs. This thesis presents a box-model (DRACAR) describing the hydrodynamic and geochemical estuarine processes affecting the 137Cs in an estuary. This approach, which can be generalized to other reactive radionuclides, will increase the consistency of the inputs-outputs of the river and sea models and will help to interface them. The study site is the Rhone-Mediterranean continuum, a major river bordered by 4 nuclear power and with a stratified estuary, like for most nuclear estuaries in the world. The DRACAR estuarine box model connects the flows from the Rhone to the sea and takes into account desorption processes. Field data were used to represent hydrodynamic processes and for validation. It shows that a salt wedge appears in the bottom of the Rhone River for flow below 1700 m3/s, bringing salt to the surface freshwater layer (internal plume) by diffusion and entrainment. This gain in salinity is likely to promote the desorption, a general but poorly constrained process which has been characterized here by an exhaustive bibliographical synthesis, and laboratory experiments performed in order to specify the role and key parameters of this process (intensity, kinetics). These experiments carried out with particles from the Rhone allowed to define kinetic constants that can be used in DRACAR. 137Cs desorption begins at low salinities of 3 to 4, and it increased inversely with the duration of the adsorption phase. A dynamic exchange model involving 2 sites of different affinities onto the particles is the best to predict the distribution of cesium on the salinity gradient. The surface plume created by the Rhone freshwater occurs under most conditions only outside of the river. In this case desorption is simulated once water arrive at the river mouth. But for very low river flows below 700 m3/s, DRACAR simulate a salt wedge into the estuary which brings enough salt water to create a two-layer stratification where the surface layer may reach a salinity of 3. DRACAR is able to simulate the desorption in this estuarine zone, and shows that desorption of 40 to 50% of 137Cs from the particles could take place there before the sea. To anticipate the consequences of a 137Cs dispersion in the sea, we attempt to categorize the most frequent hydroclimatic states (wind and flow conditions) at the mouth of this land-sea continuum thanks to a fuzzy clustering algorithm. 6 recurring scenarios with seasonal variability have been identified. A discharge or radionuclide was simulated into the Rhone River with the coupled models, and it was tested on these 6 scenarios to assess the dispersion patterns. This approach made it possible to identify the worst conditions where 137Cs is totally exported in the dissolved phase, and where the radioactive plume is blocked at the mouth or exported to the Gulf of Fos.