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Amélioration des Modèles de prévision de la dispersion et d'évaluation de l'impact des RADionucléides au sein de l'environnement.
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L'accident qui a affecté le site de Fukushima Dai-ichi le 11 mars 2011 a donné lieu à des rejets importants de substances radioactives qui ont été dispersées dans l'atmosphère et dans l'océan Pacifique entraînant ainsi une exposition temporaire ou permanente des populations humaines et non-humaines vivant au sein des territoires affectés par œs substances, par irradiation externe ou par ingestion de nourriture issue de œs territoires (Rapport IRSN/DG/2012-01 ; Mathieu et al., 2012). Lors de tels évènements, l'évaluation des conséquences radiologiques et dosimétriques repose sur deux approches complémentaires et interdépendantes :
- la réalisation de mesures radiologiques dans l'environnement ou sur des personnes ;
- le recours au calcul et à la modélisation qui permettent d'estimer des paramètres non directement établis par la mesure, notamment pour interpoler des résultats acquis, prévoir des situations futures, comparer des scénarios de gestion du risque radiologique que devront conduire les autorités en charge de ces situations (ASN, ASND, Préfets, Ministères), intégrant l'environnement également en tant que voie de transfert des radionucléides aux populations humaines.
Néanmoins, les modèles mis en œuvre présentent encore de nombreuses limites dont les plus saillantes sont: le manque de résolution spatio-temporelle pour déterminer les concentrations en substances radioactives au sein des différents compartiments de l'environnement (atmosphère, écosystèmes terrestres, écosystèmes aquatiques continentaux écosystèmes marins); le traitement embryonnaire des flux de ces substances aux interfaces entre compartiments (dépôts atmosphériques sur le sol ou dans les hydrosystèmes, lessivage et ruissellement de œs substances du milieu terrestre vers les cours d'eau, puis vers la mer sous l'effet d'épisode pluvieux. _ ...) ; le traitement quasiment inexistant des variabilités (Connan et al., 2011 ; Maro, 2012 ; Masson et al., 2011; Tombette et al., 2012 ). Par ailleurs nos connaissances sur les effets chroniques à venir sur les écosystèmes, qu'iIs soient terrestres ou aquatiques, sont quasiment inexistantes. Ce manque de connaissance est un obstacle à la mise en plaœ d'un système fiable de radioprotection pour l'environnement, système n'existant toujours pas à œ jour. Ces lacunes ont donc pour conséquences d'entacher les évaluations des conséquences pour Penvironnement et indirectement pour I'homme, de larges incertitudes pouvant affecter les prises de décision des autorités.
Ces lacunes ont été également mises en évidence, dans le cadre de la réflexion nationale qui a été engagée, depuis 2005, sous l'égide de l'ASN au travers d'un comité directeur pour la gestion de la phase post-accidentelle d'un accident nucléaire (CODIR-PA), avec pour objectif de construire une doctrine fondant l'organisation et Faction des pouvoirs publics en situation post-accidentelle. ll est ainsi proposé de retenir deux zones principales en fonction des objectifs de gestion des conséquences post-accidentelles :
- une Zone de Protection des Populations (ZPP), à l'intérieur de laquelle des actions seraient menées dans le but de réduire les doses susceptibles d'ètre reçues par les personnes qui s'y trouvent ;
- une Zone de Surveillance renforcée des Territoires (ZST), à l'intérieur de laquelle une surveillance spécifique des denrées alimentaires et des produits agricoles destinés à être commercialisés serait mise en place, afin de vérifier que les niveaux maximaux admissibles (NMA) fixés parla réglementation ne sont pas dépassés.
Or, il convient de souligner que la mise en place de ces zonages et leur pertinence reposent en grande partie sur des prévisions issues de modèles décrivant les transferts de radionucléides au sein des différents compartiments de l'environnement. Il est donc primordial que ces modèles bénéficient des avancées les plus récentes de la recherche dans les champs disciplinaires qui les concernent.
Notre projet, qui vise à l'Amélioration des MOdèles de prévisions de la dispersion et d'évaluation de l’impact des RADionucléides au sein de l'environnement (AMORAD) s'inscrit dans la perspective de combler ces principales lacunes. Il a vocation à répondre à la question centrale suivante: "comment évaluer plus précisément les conséquences d'un rejet de substances radioactives sur l'homme et sur l'environnement ? ". Pour ce faire, notre objectif principal vise donc à améliorer la résolution spatio-temporelle des études d'impact à l'homme et aux écosystèmes quels que soient les voies d'atteintes et les mécanismes de transfert des radionucléides au sein de la biosphère, ainsi que leurs modes d'action toxiques sur les espèces non-humaines.
En effet, dans l'optique de l'évaluation des risques, et en particulier de ceux liés à un accident nucléaire majeur, l'évaluation de l'exposition radiologique des populations humaines et des écosystèmes ainsi que l'analyse des effets sur la faune et la flore nécessitent de maîtriser la répartition spatiale des radionucléides au sein des grands compartiments de la biosphère ainsi que l'évolution temporelle de cette répartition. Cela requiert au préalable de disposer d'une capacité à identifier, quantifier et à modéliser les processus de transfert dans et entre les différents compartiments susceptibles d'être concernés : atmosphère, écosystèmes terrestres (surfaces cultivées, semi-naturelles, naturelles), écosystèmes aquatiques continentaux (eaux de surface et eaux souterraines) et écosystèmes marins.
Afin d'atteindre notre objectif principal, il est donc nécessaire de :
- comprendre et évaluer d'une part la distribution spatio-temporelle des radionucléides dans chacun des compartiments de l'environnement, d'autre part, les transferts des radionucléides au sein des divers compartiments, mais également les flux qui surviennent entre ceux-ci en portant une attention particulière au traitement des interfaces;
- consolider la modélisation de ces processus, notamment en termes de résolution spatio-temporelle, et des incertitudes qui y sont associées ;
- améliorer les méthodes de caractérisation de la radiosensibilité des écosystèmes.
Les travaux qui seront menés dans ce sens permettront d'accroître significativement la capacité de prévision de la dispersion des radionucléides au sein des différents compartiments de l'environnement, d'évaluer selon des critères solides les effets sur les écosystèmes et ainsi d'améliorer sensiblement l'évaluation des conséquences pour l'homme et pour l'environnement et de ce fait la gestion des situations de crise par les autorités. Ces améliorations seront également utiles dans le contexte de situations nominales de rejets ou pour la gestion de sites contaminés.
Les phénomènes étudiés relèvent en général de plusieurs disciplines scientifiques. Leur observation et le mesurage des grandeurs associées rencontrent plusieurs difficultés du fait de la nature et de la complexité des milieux et objets concernés (atmosphère et biosphère), et de la diversité des échelles temporelles et spatiales impliquées.
Pour accéder néanmoins à une bonne compréhension des phénomènes et développer des modélisations fiables et validées, les stratégies de recherche qui seront mises en œuvre combinent expérimentation et modélisation selon un schéma classique :
- acquisition de données par observations sur le terrain (cas de tous les axes) ;
- modélisation des phénomènes au moyen de modèles empiriques ou mécanistes (cas de tous les axes) ;
- acquisition de données en réalisant des expériences analytiques en laboratoire, dites « à effets séparés ›› afin d'étudier séparément certains phénomènes dont la connaissance et la compréhension sont jugées primordiales (cas des axes 1, 3 et 4) ;
- vérification sur le terrain, ou par l'entremise de reconstructions écosystémiques expérimentales (observatoires, microcosmes, ...), dans des conditions les moins perturbées possibles, afin de s'assurer qu'aucun phénomène important n'est omis et que les modèles rendent bien compte des interactions éventuelles entre phénomènes (cas de tous les axes).
Dans ce cadre général, les objectifs scientifiques des différents axes sont ceux d'une recherche à caractère "finaIisé" et sont précisés ci-dessous:
AXE ATMO. L'objectif principal de cet axe est l'amélioration des outils d'évaluation de l'impact de rejets radioactifs, sous formes de gaz et d'aérosols, en milieu hétérogène dans le champ proche (dans un rayon de 10-20 km) d'une installation nucléaire en situation accidentelle. L'atteinte de cet objectif passe par une amélioration des connaissances sur la dispersion atmosphérique et sur les échanges aux interfaces par le biais de dépôts par temps secs ou par temps humides de radionucléides. Il combine le développement de différentes approches pour évaluer l'impact d'un rejet atmosphérique : une approche expérimentale de terrain (campagnes expérimentales avec traceurs, suivis à long terme de processus comme les dépôts) ; une approche paramétrique en soufflerie ; une approche de modélisation de différents niveaux depuis les modèles résolvant les équations de la mécanique des fluides jusqu'aux modèles opérationnels gaussiens ; la modélisation des incertitudes inhérentes à une situation accidentelle et la mise au point d'un outil d'estimation du rejet à partir des mesures. Finalement, il est prévu d'aboutir à des outils opérationnels plus performants et s'appuyant sur une base de validation plus robuste permettant de reconstruire le terme source des rejets, de modéliser les incertitudes tout en étant adaptés aux sites nucléaires français. Par ailleurs, une attention particulière sera portée au mesurage de l'iode atmosphérique du fait de l'importance de ses isotopes radioactifs qui contribuent fortement à la dose à l'homme.
AXE MARIN. L'objectif principal de cet axe est d'améliorer les méthodes d'évaluation de l'impact sur le milieu marin d'un rejet accidentel afin de disposer d'outils d'aide à la décision fiables. L'atteinte de cet objectif passe par une amélioration des connaissances sur plusieurs aspects 1) la dispersion des radionucléides rejetés dans les masses d'eau, 2) les processus à l'interface continent-océan et le transport par la phase particulaire à différentes échelles spatio-temporelles 3) le transfert des radionucléides dans les chaînes trophiques ainsi que la sensibilité et la vulnérabilité des écosystèmes impactés. Cet Axe donnera une égale importance à l'analyse approfondie de l'existant, à l'acquisition de données nouvelles et à la modélisation dans ces différents domaines. En outre, des développements de méthodes d'aide à la décision seront effectués afin d'évaluer et d'accroître l'apport des connaissances acquises dans cet axe marin, en termes d'utilisation opérationnelle (en support de gestion de crise). Le principal résultat attendu est de disposer d'outils opérationnels à même de traiter une situation accidentelle conduisant à des rejets de substances radioactives dans le milieu marin. Ces outils devraient permettre d'étabIir des cartes de contamination des écosystèmes marins, notamment tout au long des chaînes trophiques permettant ainsi d'anticiper un meilleur contrôle des produits de la mer rentrant dans la chaîne alimentaire de l'homme.
AXE CONTI. Cet axe vise à enrichir notre compréhension et quantification des processus de transferts de radionucléides dans différents milieux, à différentes échelles de temps, en particulier de ceux influant le plus sur l'impact dosimétrique aux populations humaines en situation post-accidentelle. Cet axe permettra d'améliorer les méthodes de modélisation sous-jacentes aux systèmes français d'aide à la décision. Pour répondre à ces besoins, les recherches combineront l'acquisition de données nouvelles, en particulier par le monitoring de sites instrumentés, au Japon ou ailleurs, l'analyse et la hiérarchisation des informations obtenues par les instances japonaises, françaises ou internationales, et le développement de modèles innovants en s'appuyant sur une approche pluridisciplinaire (hydrologie, écophysiologie, biogéochimie, sciences du sol). Les travaux aborderont trois grands volets : le premier a un spectre d'intérêt large (multi-milieux) et un objectif prioritairement opérationnel d'améIioration des systèmes français d'aide à la décision, notamment en permettant d'assurer une meilleure définition de la Zone de Protection des Populations et de la Zone de Surveillance renforcée des Territoires (ZST) à mettre en place en situation post-accidentelle ; tandis que les deux suivants (traçage de l'érosion des bassins versants et cycles biogéochimiques des radionucléides dans les écosystèmes forestiers) ciblant des processus particuliers, ont des objectifs à la fois cognitifs et de soutien à la valorisation opérationnelle.
AXE ECOTOX. Cet axe vise à améliorer les méthodes de caractérisation de la radiosensibilité des écosystèmes. ll s'agit d'acquérir de nouvelles données, dans la zone continentale de Fukushima, dans la zone d'exclusion de Tchernobyl ou en conditions d'exposition chronique en laboratoire, pour enrichir la connaissance sur les modes d'action radiotoxiques au sein des écosystèmes, afin, à terme, d'améliorer les méthodes d'évaluation du risque environnemental associé aux radionucléides en cours d'application aux niveaux européen et français. Une approche globale sera privilégiée, s'adressant à l'étude de la physiologie des organismes et des effets transgénérationnels (dynamique évolutive), ainsi qu'aux modes d'action radiotoxique sous- jacents. Des outils innovants seront mis au point, que ce soit en matière d'outils de biosurveillance (e.g. effets génotoxiques et épigénétiques) ou de validation de bioessais novateurs.
Les résultats attendus sont constitués :
- de nouvelles données obtenues par observation sur des territoires contaminés, notamment au Japon, et par expérimentation en laboratoire ou dans des conditions réalistes;
- de nouveaux modèles rendus nécessaires soit pour introduire la prise en compte de nouveaux mécanismes de transfert, soit pour « s'ajuster ›› aux expériences de validation, soit pour inclure, dans les outils déjà existants, de nouvelles approches, comme le traitement des incertitudes et les méthodes inverses pour reconstituer le terme source ;
- de modèles validés à partir de comparaisons à des données recueillies soit par observation ou expérimentation.
L'ensembIe de ces résultats concourra à améliorer les capacités de prévision de la dispersion des radionucléides dans les divers compartiments de l'environnement et, notamment une meilleure précision dans Pétablissement des ZPP et des ZST lors d'une situation accidentelle. Par conséquent, la pertinence des évaluations des impacts sur I'homme et l'environnement en sera également améliorée.
Ce projet est ambitieux et novateur, car il nécessite :
- d'intégrer dans un seul projet, des actions de recherche sur les divers mécanismes de dispersion des radionucléides dans les différents compartiments de l'environnement et les effets des substances radioactives sur ce dernier; cette intégration permet ainsi de traiter correctement la question des multiples interfaces entre ces écosystèmes ;
- de développer des programmes permettant de couvrir à la fois des actions de compréhension et de quantification des phénomènes et des actions de développement d'outils et de méthodes destinés à apporter des réponses concrètes à des questions opérationnelles qui sont posées lors d'accidents dans des installations nucléaires ;
- d'adopter une approche interdisciplinaire associant des équipes des sciences de l'ingénieur, des sciences de l'environnement, des sciences de l'information et des sciences du vivant, le partenariat constitué dans le cadre de ce projet étant unique ;
- d'aborder chaque axe et programme de recherche en combinant l'observation de terrain, l'expérimentation de laboratoire et la modélisation à visée opérationnelle ;
- de penser globalement devant l'étendue des compartiments considérés et de leurs interfaces associées et d'agir localement en choisissant les zones d'étude les plus appropriées.
Les critères de réussite sont d'ordre divers. Pour les actions à caractère cognitif, la publication des travaux dans des revues scientifiques internationales à comité de lecture répertoriées au JCR reste le critère qui sera privilégié. La contribution aux congrès généralistes en radioécologie et écotoxicologique tels que respectivement ICRER (International Conference on Radioecology and Environmental Radioactivity) ou SETAC (Society of Environmental Toxicology And Chemistry) , ou à des conférences plus spécialisées selon la discipline scientifique telles que HARMO (thématique dispersion atmosphérqiue), EAC (European Aerosol Conference), EGU (European Geoscience Union), ASLO (Association for the Sciences of Limnology and Oceanography), constituera également un indicateur pour mesurer la vitalité du projet au sein de la communauté nationale et internationale. Le nombre de conférenciers invités lors de ces manifestations fournira également un type d'indicateur similaire. L'invitation à contribuer à des comités scientifiques de congrès, l'organisation de séminaires et de conférences nationales et internationales seront également pris en compte pour mesurer le rayonnement du projet. A ce titre, les cibles qui sont fixées sont les suivantes :
- 30 publications par an dans les revues répertoriées au JCR, sachant que cette valeur est une moyenne sur la durée du projet; il convient de noter que cette cible sera difficilement atteinte les deux premières années en attendant l'obtention des premiers résultats du projet ;
- 60 communications par an dans des congrès nationaux et internationaux à partir de la deuxième année du projet;
- 1 conférence nationale organisée ou co-organisée par an ;
- 1 conférence internationale organisée ou co-organisée durant les 8 ans.
La propension du projet à attirer des doctorants et des post-doctorants ainsi que des stagiaires de master constituera un bon indicateur pour mesurer Fattractivité de celui-ci vis à vis des étudiants et des jeunes chercheurs.
La pertinence des travaux sur le plan opérationnel sera évaluée sur la possibilité de faire évoluer de façon significative les outils de simulation utilisés notamment en situation de crise. Les recherches seront menées avec des partenaires nationaux et internationaux. Etant donné le large spectre de disciplines impliquées, la diversité des différents partenaires permettra de faire face aux différents enjeux scientifiques, mais aussi de confronter les idées lors d'actions communes d'analyse et d'interprétation des résultats. Ce partage des informations et l'étude de processus importants pour la radioprotection de Fenvironnement, notamment en situation accidentelle, constitue une base sur laquelle l'élaboration de références internationales dans les domaines concernés pourra s'appuyer. Ce partenariat est unique et servira de « noyau de condensation ›› pour attirer d'autres équipes à contribuer au projet, et plus généralement à ce domaine de recherche pour en faire une discipline d'excellence sur le plan national, voire international. Le rayonnement national et international de ce projet sera conforté par des actions de communication scientifique comme l'organisation de séminaires thématiques, I'organisation de congrès sur le plan national et international.
Les recherches amont seront conduites en liaison étroite avec Ie monde universitaire dans ie cadre dela formation parla recherche. Une partie importante de la recherche menée dans le cadre de ce projet, notamment celle qui est le plus en amont, sera réalisée dans le cadre de partenariats avec le monde universitaire et les Grandes Ecoles afin d'accUeillir des stagiaires, des doctorants et des post-doctorants de haut niveau. Ces collaborateurs non permanents seront souvent intégrés dans des milieux professionnels très diversifiés, facilitant ainsi leur insertion future dans le monde du travail.