Published December 19, 2023 | Version v1
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Experiments and operational modeling of dry and wet deposition of chlorine 36 in gaseous and particulate form on grassland

Description

Chlorine 36 (36Cl, T1/2 = 301,000 years) is a radionuclide of both natural and artificial origin that can be released in gaseous or particulate form during the decommissioning of nuclear facilities or the recycling of nuclear waste. Once released into the atmosphere, 36Cl can be transferred to terrestrial ecosystems through dry and wet deposition. However, due to analytical constraints, knowledge about these deposits remains limited. Given its relatively high mobility in the geosphere and high bioavailability, understanding the behavior of 36Cl in the environment is crucial for human impact studies and the assessment of the safety of radioactive waste storage. Therefore, the objectives of this thesis are to quantify dry and wet deposits on 36Cl on grass, followed by modeling these deposits based on parameters related to ground cover and atmospheric turbulence. To achieve this, a sampling system (gas, particles, rainwater, and grass) and micro-meteorological measurement equipment were installed at the IRSN La Hague Technical Platform (PTILH), located 2 km from the Orano La Hague facility, which chronically emits small quantities of 36Cl. To determine the concentrations in the various samples, an original radiochemistry method was developed and validated. Following the collection of samples, chlorine extraction via alkaline fusion and specific chemical preparation for 36Cl measurement by Accelerator Mass Spectrometry (AMS-ASTER) at CEREGE were carried out. The alkaline fusion extraction of NIST leaf standards allowed for the determination of an average extraction yield of 83 ± 5% and method validation. 36Cl levels in the atmosphere and rainwater at the study site were on average one to two orders of magnitude above natural background levels. Gaseous 36Cl represented an average of 72.9% of atmospheric 36Cl, while 27.1% was in particulate form. Enrichment of 36Cl was observed in grass samples, indicating the transfer of 36Cl from the atmosphere to the grass during experimental campaigns at the study site. Dry deposition velocities of 36Cl on grass were determined for the first time in this study, with values ranging from 1.0 x10-3 to 1.1 x10-2 m.s-1. Measurements of 36Cl deposition flux showed that dry deposition contributed on average to 51.9% of the total 36Cl deposition at our study site, compared to 48.1% for wet deposition. The study of wet deposition flux also highlighted the existence of a 'rainout' phenomenon in the environment. Parametrization of dry and wet 36Cl deposition, both gaseous and particulate, was carried out based on meteorological data and adaptation of existing models. The values calculated by the modeling were in good agreement with experimental data, with less than a threefold difference for dry deposition velocities and less than a fourfold difference for wet deposition flux. Combining the dry deposition model with the wet deposition model revealed that 36Cl deposits on PTILH are dominated by the gaseous fraction, contributing 91.9% to the total deposition (dry and wet deposition by 'washout'), with 8.1% attributed to the particulate fraction. Regarding deposition mechanisms, it was calculated that dry deposition accounts for an average of 41.6% of 36Cl deposits, compared to 15.0% for wet deposition by 'washout' and 43.4% for wet deposition by 'rainout'. The results obtained and the knowledge acquired during this study will contribute to improving the characterization of the transfer of radionuclides in the environment, including their impact on humans. (author)

Abstract (French)

Le chlore 36 (36Cl, T1/2 = 301000 ans) est un radionucleide d'origine naturelle et artificielle susceptible d'etre rejete sous formes gazeuse ou particulaire lors des operations de demantelement de centrales nucleaires ou lors du recyclage des dechets nucleaires. Une fois emis dans l'atmosphere, le 36Cl peut etre transfere vers les ecosystemes terrestres par des depots secs et humides. Cependant, du fait des contraintes analytiques, les connaissances sur ces depots sont encore tres parcellaires. Or, du fait de sa mobilite elevee dans la geosphere et de sa biodisponibilite, le 36Cl est un radionucleide dont l'etude du devenir dans l'environnement est importante pour les etudes d'impacts a l'humain ainsi que pour l'evaluation de la surete des stockages de dechets radioactifs. Ainsi, cette these a pour objectifs la quantification des depots secs et humides du 36Cl sur une prairie suivie d'une modelisation de ces depots en fonction de parametres lies au couvert et a la turbulence atmospherique. Pour cela, un dispositif de prelevements (gaz, particules, eau de pluie et herbes) et de mesure des parametres micrometeorologiques a ete installe sur le site de la plateforme technique IRSN La Hague (PTILH) situe a 2 km de l'usine Orano La Hague, rejetant de facon chronique du 36Cl en faibles quantites. Afin de determiner les concentrations dans les differents echantillons preleves, une methode de radiochimie originale a ete developpee et validee. A la suite des prelevements, les echantillons ont subi une extraction du Cl par fusion alcaline suivie d'une preparation chimique specifique pour la mesure du 36Cl par spectrometrie de masse par accelerateur (AMS-ASTER) au CEREGE. L'extraction du chlore par fusion alcaline des standards NIST de feuilles a permis de determiner un rendement d'extraction moyen de 83 ± 5% et de valider la methode. Les teneurs en 36Cl dans l'atmosphere et l'eau de pluie sur le site d'etude etaient en moyenne 1 a 2 ordres de grandeur au-dessus du bruit de fond naturel. Le 36Cl gazeux representait en moyenne 72,9% du 36Cl atmospherique contre 27,1% pour le 36Cl particulaire. Un enrichissement en 36Cl a ete observe dans les echantillons d'herbe traduisant un transfert du 36Cl de l'atmosphere vers l'herbe durant les campagnes experimentales sur le site d'etude. Les vitesses de depot sec du 36Cl sur l'herbe ont ete determinees pour la premiere fois dans cette etude avec des valeurs comprises entre 1,0.10-3 et 1,1.10-2 m.s-1. La mesure des flux de depot du 36Cl a montre que le depot sec contribuait en moyenne a 51,9% du depot total de 36Cl sur notre site d'etude contre 48,1% pour les depots humides. L'etude du flux de depot humide a egalement mis en lumiere l'existence d'un phenomene de 'rainout' dans le milieu. La modelisation des vitesses de depot sec et des flux de depot humide du 36Cl a ete realisee a partir des donnees meteorologiques et par adaptation des modeles existants. Les valeurs calculees par la modelisation etaient en accord avec les donnees experimentales, avec moins d'un facteur 3 de difference pour les vitesses de depot sec du 36Cl et moins d'un facteur 4 pour les flux de depot humide. En unissant le modele de depot sec et le modele de depot humide, il ressort que les depots de 36Cl sur la PTILH sont domines par la fraction gazeuse avec une contribution de 91,9% au depot total (depot sec et depot humide par 'washout') contre 8,1% pour la fraction particulaire. Concernant les mecanismes de depot, il a ete calcule que le depot sec represente en moyenne 41,6% des depots de 36Cl contre 15,0% pour le depot humide par 'washout' et 43,4% pour le depot humide par 'rainout'. Les resultats obtenus et les connaissances acquises au cours de cette etude serviront a l'amelioration de la caracterisation des transferts des radionucleides dans l'environnement et vers l'humain. (auteur)

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Original title (French)
Experimentations et modelisation operationnelle des depots secs et humides du chlore 36 sous forme gazeuse et particulaire sur une prairie

Publishing Information

Imprint Pagination
315 p.
Report number
FRNC-TH--16135

Optional Information

Notes
[340 refs.]; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses