Etude du dépôt de radionucléides par les gouttelettes de brouillards et de nuages sur les végétaux à partir d'expérimentations in situ

par Jackie Tav

Thèse de doctorat en Océan, atmosphère, climat

Sous la direction de Laurent Pourcelot et de Frédéric Burnet.

Le président du jury était Jean-Luc Probst.

Le jury était composé de Martial Haeffelin, Maurice Millet, Yves Noack, Olivier Masson.

Les rapporteurs étaient Martial Haeffelin, Maurice Millet, Yves Noack.


  • Résumé

    Pour les besoins du refroidissement de leurs réacteurs, les CNPE1 sont placés à proximité immédiate de cours d’eau ou du littoral. Ils sont de ce fait exposés à des bancs de brouillards, en particulier à l’automne et au cours de l’hiver. Or les modèles opérationnels de dispersion atmosphérique/dépôt, utilisés pour simuler la contamination radioactive de l’environnement à la suite d’un accident nucléaire, considèrent uniquement les dépôts par temps sec et ceux par temps de pluie. Faut-il tenir compte de la présence des brouillards comme terme additionnel de dépôt de radionucléides en cas d’accident nucléaire ? Pour répondre à cette question, une étude expérimentale a été conduite sur plusieurs sites exposés aux brouillards ou aux nuages (principalement la plateforme d’observation atmosphérique de l’ANDRA à Houdelaincourt ainsi que la station de recherche atmosphérique de l’OPGC/CNRS2 au sommet du Puy de Dôme et la plateforme d’étude atmosphérique SIRTA3 de l’IPSL4 à Palaiseau). La collecte d’eau de brouillard et la mesure des quantités d’eau déposées sous forme de gouttelettes sur différents types de végétaux, ont été réalisées respectivement grâce à collecteurs à fils et des pesées de précision. En mesurant le contenu en eau liquide dans l’air ainsi que la masse d’eau déposé sur les plantes, il a été possible de calculer des vitesses de dépôt des gouttelettes de brouillard pouvant atteindre plusieurs dizaines de cm.s-1 dans le cas d’un brouillard composé de grosses gouttelettes (diamètre médian volumique moyen de 20 µm). Ces vitesses élevées mettent en évidence l’importance des processus gravitationnels mais aussi turbulents notamment dans le cadre du dépôt sur des végétaux à structure foliaire tridimensionnelle comme les conifères. L’effet d’auto-écrantage lié à une densité de biomasse foliaire élevée a également été quantifié. Les concentrations en radionucléides à l’état de traces ont montré que l’eau de brouillard pouvait être jusqu’à 20 fois plus concentrée que l’eau de pluie, du fait de la dilution par condensation de vapeur d’eau sur les gouttelettes au cours de leur grossissement. Les mesures des masses d’eau déposées par les brouillards et de la concentration en radionucléides dans les gouttelettes sur le site d’Houdelaincourt, permettent d’estimer ces dépôts habituellement qualifiés d’occultes car trop faibles pour être quantifiés par des pluviomètres ou des radars météorologiques. Sur l’ensemble d’une saison de brouillard, le dépôt occulte de radionucléides a représenté jusqu’à 25% des dépôts par temps secs et par temps de pluie. En cas de rejet accidentel, la présence de brouillard pourrait contribuer à hauteur de 14% du dépôt par temps sec. Ces résultats mettent en évidence la nécessité de prendre en compte ce processus de dépôt pour mieux quantifier les retombées radioactives sur des territoires en contact avec des brouillards ou des nuages (en ce qui concerne les sites d’altitudes), en particulier en situation post-accidentelle. Un schéma simple de type dépôt sec, considérant le diamètre médian des gouttelettes dérivé de la visibilité, permet à minima de mieux simuler le processus de dépôt par sédimentation des gouttelettes. Ces travaux restent à compléter pour quantifier la contribution de la turbulence induite par l’écoulement de l’air au voisinage des obstacles comme des végétaux de grandes tailles et incorporer un schéma spécifique dans les modèles de dépôt.

  • Titre traduit

    Deposition of radionuclides on plants by fog and cloud droplets


  • Résumé

    For the purpose of cooling off their reactors, nuclear power plants are located near rivers, ponds or in coastal areas. In temperate regions and during fall and winter, they are frequently exposed to fogs. Operational models of atmospheric dispersion and deposition used to estimate radioactive contamination of the environment after a nuclear accident, consider dry deposition and wet deposition by rain. Should we take into account the deposition by fog droplets as an additional process in term of deposition? To answer this question, an experimental study has been setup on several sites often exposed to fogs or clouds. Fogwater collection and measurement of fogwater deposited on plants were realized with string collectors and precision balances, respectively. Different plant types were used for this study: small conifers, cabbage, grass plus a bare soil as a reference deposition surface. By measuring the liquid water content (LWC) and the mass of water deposited on plants, fog droplet deposition velocities can be calculated. In the case of fog composed mainly of big droplets (mean median volume diameter of 20 µm), deposition velocities of these droplets can reach several tens cm.s-1. These high deposition velocities highlight the fact that gravitational but also turbulent processes are both contributing to the deposition on plants especially with a tri-dimensional structure such as conifers. The edge effect linked to a strong density of trees has also been identified and quantified during our experiments. The radionuclides found in trace amounts in fogwater showed that fogwater could be up to twenty times more concentrated in radionuclides than rain water. It is due to the activity dilution during the condensation phase of the droplets, when the droplets are growing. Based on measurements of the mass of water deposited by fog and concentrations of radionuclides in fog droplets on the site of Houdelaincourt, occult deposition that cannot be quantify by rain gauges or meteorological radar can be estimated. Over a whole season of fog, occult deposition can represent up to 25% of the total deposition (dry and wet by rain) of radionuclides. In case of an accidental release, fog could contribute to 14% of the total deposition if no rain event occurs. Those results highlight the fact that fog deposition should be considered to better quantify radioactive fallouts in areas embedded by fog (or clouds for high altitude sites), particularly in post-accident situation. A simple model of dry deposition to simulate the droplets deposition by sedimentation can be developed, using the median diameter of droplets derived from the visibility. This work still needs to be completed to quantify the turbulence contribution induced by the air flow near obstacles such as large plants and to implement a specific scheme into deposition model.


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