La curiethérapie par diffusion d’émetteurs alpha (DaRT) est un nouveau type de grain interstitiel dont le potentiel thérapeutique pour les tumeurs solides est élevé en raison de l’utilisation de particules alpha. Cette modalité se distingue de la curiethérapie conventionnelle par une contamination des tissus à un niveau thérapeutique. Les radionucléides filles pénètrent la tumeur grâce à l’énergie de recul acquise lors de l’émission d’une particule alpha, puis ils se dispersent par diffusion dans les tissus avoisinants créant un nuage d’émetteurs alpha. Présentement, le \(^{224}\)Ra est la source radioactive utilisée par la modalité car la synergie de ses descendants de courte demi-vie permettent de produire une zone où la mort cellulaire est élevée. De plus, sa longue demie-vie permet de produire des sources thérapeutiques de faible activité. Le modèle de planification dosimétrique Diffusion-Leakage ne permet pas de déterminer la dose livrée à une zone qui seraient étanche aux radionucléides diffusants. Les particules possédant une longue portée, comme les particules beta et gamma, ne sont pas évaluées par le modèle. Pourtant, ces particules secondaires sont les seules qui déposent de l’énergie dans les zones non-traitées par les particules alpha. Le projet cadre est de simuler la distribution de la dose livrée par ces particules à l’aide de la méthode Monte Carlo. Deux distributions sont recherchées. Une première est la dose associée aux descendants du \(^{224}\)Ra qui se sont dispersés autour du grain et la deuxième est associée au \(^{224}\)Ra et à ses descendants distribués quelques nanomètres sous la surface du grain. Ce mémoire présente une méthode permettant de modéliser la distribution interne de la source de \(^{224}\)Ra sous la surface d’un grain DaRT. Des mesures de spectrométrie alpha ont permis de tester le diagramme de flux de travail et de confirmer la faisabilité de l’extraction de la distribution interne pour trois émetteurs alpha. Les distributions permettront d’évaluer la dose provenant exclusivement du grain en plus d’aider à concevoir des simulations du taux de désorption par recul atomique. Ce travail pourrait permettre d’aider à la conception de nouveaux grains et à l’évaluation de la dose beta et gamma entourant un grain DaRT au \(^{224}\)Ra. / Diffusion alpha-emitter Radiation Therapy (DaRT) is a new type of interstitial brachytherapy seed with high therapeutic potential for solid tumors due to the use of alpha particles. This modality differs from conventional brachytherapy by contaminating tissues to a therapeutic level. The daughters penetrate the tumor using the recoil energy acquired when an alpha particle is emitted and they then scatter by diffusion into the surrounding tissue, creating a cloud of alpha emitters. Currently, \(^{224}\)Ra is the radioactive source used by the modality because the synergy of its short half-life progeny allow to produce a zone where cell death is significant. In addition, its long half-life allows the production of therapeutic sources of low activity. The dosimetric planning model Diffusion-Leakage does not allow the determination of the dose delivered to an area that would be impenetrable by diffusing radionuclides. Particles with a long range, such as beta and gamma particles, are not evaluated by the model. However, these secondary particles are the only ones that deposit energy in areas not treated by alpha particles. The framework project is to simulate the dose distribution delivered by these particles using the Monte Carlo method. Two distributions are pursued. The first is the dose associated with the \(^{224}\)Ra progeny that are dispersed around the seed and the second is associated with radium and its progeny distributed a few nanometers below the surface of the seed. This thesis presents a method enabling the modelisation of the internal distribution of the \(^{224}\)Ra source below the surface of a DaRT seed. Alpha spectrometry measurements were used to test the workflow diagram and confirm the feasibility of extracting the internal distribution for three alpha emitters. The distributions will enable an assessment of the dose coming exclusively from the seed, in addition to helping in designing simulations of the desorption rate by atomic recoil. This work could assist in the design of new seeds and in the evaluation of the beta and gamma dose surrounding a \(^{224}\)Ra DaRT seed.

O fertilizante é considerado um componente essencial para a agricultura, pois sua utilização aumenta e repõe os nutrientes naturais do solo, perdidos por desgaste ou erosão. No processo de obtenção dos fertilizantes fosfatados, o concentrado de rocha reage com ácido sulfúrico concentrado produzindo ácido fosfórico e sulfato de cálcio (fosfogesso), como subproduto. O ácido fosfórico é utilizado para a produção do superfosfato triplo (TSP), superfosfato simples (SSP), monoamônio fosfato (MAP) e diamônio fosfato (DAP). A rocha fosfatada usada como matéria prima apresenta em sua composição radionuclídeos das séries naturais do urânio e tório. Durante o ataque químico do concentrado de rocha, as espécies presentes na reação, estáveis e radioativas, são redistribuídas entre o ácido fosfórico (matéria prima dos fertilizantes), e o fosfogesso, de acordo com sua solubilidade e características químicas. Enquanto os fertilizantes são comercializados, o fosfogesso fica estocado em pilhas podendo impactar o meio ambiente. Com a finalidade de entender a distribuição dos elementos e dos radionuclídeos no processo industrial de produção de fertilizantes fosfatados, foram analisadas amostras de concentrado de rocha, de fertilizantes (SSP, TSP, MAP e DAP) e fosfogesso de três procedências nacionais denominadas indústrias A, B e C. A técnica utilizada para a análise elementar foi a análise por ativação com nêutrons, que permitiu analisar os elementos Ba, Co, Cr, Fe, Hf, Na, Sc, Ta, Th, U, Zn e Zr, e as terras raras, La, Ce, Nd, Sm, Eu, Tb, Yb e Lu. Os resultados obtidos permitiram concluir que em geral, as terras raras se distribuem de forma homogênea em todos os fertilizantes e no fosfogesso, exceto o Lu. Os fertilizantes SSP e TSP apresentaram concentrações de todos os elementos analisados da mesma ordem de grandeza da rocha de origem. O mesmo comportamento foi observado nos fertilizantes MAP e DAP, exceto para os elementos Co, Sc e U. Os elementos pertencentes à série radioativa natural do urânio (238U, 234U, 230Th, 226Ra e 210Pb), do tório (232Th, 228Ra e 228Th) e o K-40, foram determinados por meio da espectrometria gama e alfa. As amostras de fertilizantes MAP e DAP, que são diretamente derivadas do ácido fosfórico, apresentaram baixa concentração para o 226Ra, 228Ra e 210Pb, enquanto que para o U e Th as concentrações encontradas foram da mesma ordem de grandeza da rocha de origem. Os fertilizantes SSP e TSP, que são obtidos pela mistura de ácido fosfórico com concentrado de rocha, apresentaram concentrações mais elevadas para os radionuclídeos das séries naturais. Avaliou-se a exposição devido a sucessivas aplicações de fertilizantes e fosfogesso, calculando-se a dose interna devida à aplicação por 10, 50 e 100 anos. Os valores encontrados estão abaixo do limite de 2,4 mSv a-1, mostrando que esta prática é negligenciável. / Fertilizer is considered an essential component for agriculture, because its use increases the natural soil nutrients, which are lost slow waste or erosion. The Brazilian phosphate fertilizer is obtained by wet reaction of igneous phosphate rock with concentrated sulphuric acid, giving as final product, phosphoric acid and dihydrated calcium sulphate (phosphogypsum) as by-product. Phosphoric acid is the starting material for triple superphosphate (TSP), single superphosphate (SSP), monoammonium phosphate (MAP) and diammonium phosphate (DAP). The phosphate rock used as raw material presents in its composition, radionuclides of the U and Th natural series in. During the chemical attack of the phosphate rock, this equilibrium is disrupted and the radionuclides and the elements migrate to intermediate, final products and by-products, according to their solubility and chemical properties. While the fertilizers are commercialized, the phosphogypsum is disposed in stack piles and can cause an impact in the environment. In order to evaluate the radionuclides and the elements distribution in the industrial process of phosphate fertilizer production, samples of concentrated rock, fertilizers (SSP, TSP, MAP and DAP) and phosphogypsum from three national industries (A, B and C), were analyzed. The characterization of the elements Ba, Co, Cr, Fe, Hf, Na, Sc, Ta, Th, U, Zn and Zr, and the rare earths La, Ce, Nd, Sm, Eu, Tb, Yb and Lu, were performed by instrumental neutron activation analysis. The results obtained showed that, in general, the rare earth elements are distributed uniformly in the fertilizers and phosphogypsum, except for Lu. The elemental concentration present in the fertilizers SSP and TSP are of the same order of magnitude of the source rock. The same behavior was observed in the fertilizers MAP and DAP, except for the elements Co, Sc and U. The radionuclides of the U series (238U, 234U, 230Th, 226Ra, 210Pb) and of the Th series (232Th, 228Ra, 228Th) and 40K were determined by gamma and alpha spectrometry. The fertilizers samples, with are derived directly from phosphoric acid, MAP and DAP, presented in their composition low activity concentrations for 226Ra, 228Ra and 210Pb. For U and Th, the concentrations founded in MAP and DAP are more significant, similar to the source rock. SSP and TSP fertilizers, which are obtained by mixing phosphoric acid with different amounts of phosphate rock, presented higher concentrations of all radionuclides of the natural series. Long-term exposure due to successive fertilizer and phosphogypsum application was evaluated. Internal doses due to the application of phosphate fertilizer and phosphogypsum for 10, 50 and 100 years were below 2.4 mSv y-1, showing that the radiological impact of such practice is negligible.

O fertilizante é considerado um componente essencial para a agricultura, pois sua utilização aumenta e repõe os nutrientes naturais do solo, perdidos por desgaste ou erosão. No processo de obtenção dos fertilizantes fosfatados, o concentrado de rocha reage com ácido sulfúrico concentrado produzindo ácido fosfórico e sulfato de cálcio (fosfogesso), como subproduto. O ácido fosfórico é utilizado para a produção do superfosfato triplo (TSP), superfosfato simples (SSP), monoamônio fosfato (MAP) e diamônio fosfato (DAP). A rocha fosfatada usada como matéria prima apresenta em sua composição radionuclídeos das séries naturais do urânio e tório. Durante o ataque químico do concentrado de rocha, as espécies presentes na reação, estáveis e radioativas, são redistribuídas entre o ácido fosfórico (matéria prima dos fertilizantes), e o fosfogesso, de acordo com sua solubilidade e características químicas. Enquanto os fertilizantes são comercializados, o fosfogesso fica estocado em pilhas podendo impactar o meio ambiente. Com a finalidade de entender a distribuição dos elementos e dos radionuclídeos no processo industrial de produção de fertilizantes fosfatados, foram analisadas amostras de concentrado de rocha, de fertilizantes (SSP, TSP, MAP e DAP) e fosfogesso de três procedências nacionais denominadas indústrias A, B e C. A técnica utilizada para a análise elementar foi a análise por ativação com nêutrons, que permitiu analisar os elementos Ba, Co, Cr, Fe, Hf, Na, Sc, Ta, Th, U, Zn e Zr, e as terras raras, La, Ce, Nd, Sm, Eu, Tb, Yb e Lu. Os resultados obtidos permitiram concluir que em geral, as terras raras se distribuem de forma homogênea em todos os fertilizantes e no fosfogesso, exceto o Lu. Os fertilizantes SSP e TSP apresentaram concentrações de todos os elementos analisados da mesma ordem de grandeza da rocha de origem. O mesmo comportamento foi observado nos fertilizantes MAP e DAP, exceto para os elementos Co, Sc e U. Os elementos pertencentes à série radioativa natural do urânio (238U, 234U, 230Th, 226Ra e 210Pb), do tório (232Th, 228Ra e 228Th) e o K-40, foram determinados por meio da espectrometria gama e alfa. As amostras de fertilizantes MAP e DAP, que são diretamente derivadas do ácido fosfórico, apresentaram baixa concentração para o 226Ra, 228Ra e 210Pb, enquanto que para o U e Th as concentrações encontradas foram da mesma ordem de grandeza da rocha de origem. Os fertilizantes SSP e TSP, que são obtidos pela mistura de ácido fosfórico com concentrado de rocha, apresentaram concentrações mais elevadas para os radionuclídeos das séries naturais. Avaliou-se a exposição devido a sucessivas aplicações de fertilizantes e fosfogesso, calculando-se a dose interna devida à aplicação por 10, 50 e 100 anos. Os valores encontrados estão abaixo do limite de 2,4 mSv a-1, mostrando que esta prática é negligenciável. / Fertilizer is considered an essential component for agriculture, because its use increases the natural soil nutrients, which are lost slow waste or erosion. The Brazilian phosphate fertilizer is obtained by wet reaction of igneous phosphate rock with concentrated sulphuric acid, giving as final product, phosphoric acid and dihydrated calcium sulphate (phosphogypsum) as by-product. Phosphoric acid is the starting material for triple superphosphate (TSP), single superphosphate (SSP), monoammonium phosphate (MAP) and diammonium phosphate (DAP). The phosphate rock used as raw material presents in its composition, radionuclides of the U and Th natural series in. During the chemical attack of the phosphate rock, this equilibrium is disrupted and the radionuclides and the elements migrate to intermediate, final products and by-products, according to their solubility and chemical properties. While the fertilizers are commercialized, the phosphogypsum is disposed in stack piles and can cause an impact in the environment. In order to evaluate the radionuclides and the elements distribution in the industrial process of phosphate fertilizer production, samples of concentrated rock, fertilizers (SSP, TSP, MAP and DAP) and phosphogypsum from three national industries (A, B and C), were analyzed. The characterization of the elements Ba, Co, Cr, Fe, Hf, Na, Sc, Ta, Th, U, Zn and Zr, and the rare earths La, Ce, Nd, Sm, Eu, Tb, Yb and Lu, were performed by instrumental neutron activation analysis. The results obtained showed that, in general, the rare earth elements are distributed uniformly in the fertilizers and phosphogypsum, except for Lu. The elemental concentration present in the fertilizers SSP and TSP are of the same order of magnitude of the source rock. The same behavior was observed in the fertilizers MAP and DAP, except for the elements Co, Sc and U. The radionuclides of the U series (238U, 234U, 230Th, 226Ra, 210Pb) and of the Th series (232Th, 228Ra, 228Th) and 40K were determined by gamma and alpha spectrometry. The fertilizers samples, with are derived directly from phosphoric acid, MAP and DAP, presented in their composition low activity concentrations for 226Ra, 228Ra and 210Pb. For U and Th, the concentrations founded in MAP and DAP are more significant, similar to the source rock. SSP and TSP fertilizers, which are obtained by mixing phosphoric acid with different amounts of phosphate rock, presented higher concentrations of all radionuclides of the natural series. Long-term exposure due to successive fertilizer and phosphogypsum application was evaluated. Internal doses due to the application of phosphate fertilizer and phosphogypsum for 10, 50 and 100 years were below 2.4 mSv y-1, showing that the radiological impact of such practice is negligible.

Les plateaux continentaux et les marges océaniques, à l'interface entre les continents et les océans, constituent une zone clé d'échange d'éléments chimiques et de matière. Ces éléments chimiques sont apportés par les fleuves, potentiellement relâchés par les sédiments déposés sur les marges ou apportés par les résurgences sous-marines (ou plus globalement par les SGD, " Submarine Groundwater Discharge "), puis sont transmis à l'océan ouvert. De nombreuses transformations chimiques ont également lieu au-niveau de cet interface (précipitation, adsorption, désorption, floculation, diffusion depuis les sédiments etc...) qui font que l'interface continent-océan constitue une source et/ou un puits pour les éléments chimiques. Les flux d'éléments chimiques (sels nutritifs, éléments limitants, contaminants) échangés entre la côte et le large ont un impact sur la composition chimique de l'océan ainsi que sur les écosystèmes (planctoniques et benthiques). Ces échanges ont notamment un impact sur le développement du phytoplancton qui constitue une pompe biologique du carbone. Ces flux exercent donc un contrôle sur le cycle du carbone et par conséquent sur le climat. Pour étudier ces zones d'échanges clés, nous utilisons des traceurs géochimiques tels que les isotopes du radium (223Ra, 224Ra, 226Ra, 228Ra) et l'actinium-227 (227Ac). Ces isotopes portent de nombreuses informations essentielles et difficiles à obtenir par d'autres biais. Au contact des sédiments peu profonds, les masses d'eau s'enrichissent en ces isotopes au niveau des marges. Ces radioéléments permettent donc de tracer l'advection de masses d'eau qui sont entrées en contact avec les marges (où elles se sont enrichies en de nombreux éléments chimiques). Une fois que la masse d'eau se détache des sédiments, l'activité radium décroit, ce qui fournit un chronomètre destiné à estimer le temps de transit des masses d'eau ou encore l'âge des masses d'eau. Le radium permet donc également de tracer l'enrichissement potentiel d'une masse d'eau en certains éléments essentiels qui - comme le radium - diffusent depuis les sédiments (ex : fer, élément limitant pour la biomasse phytoplanctonique). Tandis que ces éléments (ex : fer) disparaissent souvent rapidement de la colonne d'eau (réactions chimiques, absorption par le phytoplancton), le radium reste dans la colonne d'eau et se comporte comme un traceur conservatif. Le mélange diffusif (horizontal ou vertical) redistribue également ces radioéléments - ainsi que d'autres éléments chimiques - au sein de l'océan qui permettent ainsi de quantifier les coefficients de mélange diffusifs Kh et Kz, paramètres essentiels pour contraindre les flux d'énergie et d'éléments chimiques dans l'océan. Les isotopes du radium et l'227Ac présentant des périodes radioactives variées (224Ra : 3.7 jours ; 223Ra : 11.4 jours ; 228Ra : 5.8 ans ; 226Ra : 1600 ans ; 227Ac : 21.8 ans), ils permettent d'étudier les processus d'advection et de mélange sur différentes échelles de temps (quelques jours à quelques années) et donc d'espace (depuis la côte jusqu'à l'océan ouvert). Enfin, les décharges d'eau souterraine étant enrichies en radium, ce radioélément a été largement utilisé pour détecter les sites de résurgences sous-marines ou les SGD et pour quantifier les flux d'eau associés à ces systèmes. Depuis 2002, j'ai conduit des études dans différents océans du globe pour fournir au niveau de régions clés - notamment au moyen des isotopes du radium et de l'227Ac - ces informations essentielles qui permettent de contraindre aussi bien les échanges côte-large que le transfert de matière au sein de la colonne d'eau. Dans ce manuscrit, j'ai choisi de présenter avec plus de détails les résultats obtenus au-niveau de régions où les échanges entre la côte et le large se faisaient par des voies différentes : nous avons travaillé dans des régions où les éléments chimiques étaient transmis à l'océan via (i) la libération par les sédiments des marges (ex : Plateau de Kerguelen, projet KEOPS), (ii) l'apport par les fleuves et réactions chimiques dans l'estuaire (ex : estuaire de l'Amazone, projet AMANDES) ou encore via (iii) l'apport par les décharges d'eau souterraine (ex : littoral français méditerranéen, projet CYMENT). Au large des îles Kerguelen, le projet KEOPS a montré que le développement du phytoplancton en pleine région HNLC (" High Nutrient Low Chlorophyll ") pouvait s'expliquer par la fertilisation en fer apporté par les sédiments du Plateau de Kerguelen (Blain et al., 2007). Nous avons contribué à montrer par une approche multitraceur que le fer, élément limitant dans cette région, était transmis dans les eaux de surface du Plateau de Kerguelen par le mélange vertical associé aux ondes de marée et par l'advection d'eau entrée en contact avec les sédiments des marges de l'île Heard, au sud du plateau. Grâce au projet AMANDES mené au large du Brésil et de la Guyane française, nous avons pu chronométrer au moyen des quatre isotopes du radium le temps de transit du panache de l'Amazone depuis l'estuaire jusque dans l'Océan Atlantique et ainsi estimer le temps de résidence de ces eaux sur le plateau continental brésilien (collaboration avec J. De Oliveira, IPEN Sao Paulo, Brésil, financement de l'AIEA). Nous avons également étudié les échanges de radium entre les phases particulaire et dissoute le long du gradient de salinité. Les isotopes du radium étant largement utilisés pour étudier les décharges d'eau souterraine en mer, nous avons travaillé au niveau de plusieurs résurgences d'eau douce le long du littoral Méditerranéen français (étang de La Palme, étang de Salses-Leucate, étang de Thau, Calanques de Marseille) et utilisé nos outils géochimiques pour détecter les résurgences sous-marines, étudier le devenir de ces eaux une fois dispersées en mer ou dans les étangs, quantifier les flux d'eau associés à ces systèmes et tenter d'estimer le temps de résidence des eaux des étangs (collaboration avec T. Stieglitz, JCU Australie, Poste Rouge OMP). Ces études ont pu être menées à bien grâce à des développements analytiques que nous avons conduits en amont. Nous avons notamment créé en 2007 le laboratoire souterrain de mesure des faibles radioactivités LAFARA, localisé à Ferrières dans l'Ariège (Pyrénées). Ce laboratoire est désormais reconnu comme une plateforme d'analyses de l'OMP et fait partie du réseau européen de laboratoires souterrains CELLAR. Le bruit de fond obtenu par les deux spectromètres gamma en fonctionnement dans ce laboratoire est particulièrement bas, ce qui nous permet d'analyser la très faible radioactivité présente dans nos échantillons. De plus, nous nous sommes équipés d'un RaDeCC (Radium Delayed Coincidence Counter) qui nous permet d'analyser les activités 223Ra, 224Ra et 227Ac de nos échantillons. Les analyses de l'227Ac, élément particulièrement rare dans l'océan, ont été conduites en collaboration avec W. Geibert (Université d'Edimbourg, projet d'échange ALLIANCE). Grâce à ces développements, nous avons pu participer aux exercices internationaux d'intercalibration GEOTRACES pour les isotopes 223Ra, 224Ra, 226Ra et 228Ra. Cette capacité analytique nous a également permis d'effectuer des comparaisons entre des analyses réalisées au moyen de différents instruments (226Ra : MC-ICP-MS versus spectrométrie gamma ; 223Ra et 224Ra : RaDeCC versus spectrométrie gamma). Ces différents exercices ont permis de valider les mesures que nous effectuons. Enfin, bien que le radium soit largement utilisé pour tracer les masses d'eau, étudier le mélange et les SGD, ou encore comme outil de datation, le cycle du radium n'est pas encore totalement compris. En particulier, très peu d'études ont été menées jusqu'à présent sur la phase particulaire susceptible d'incorporer du radium dans l'océan. Nous avons donc cherché à étudier le radium porté par cette phase particulaire, en analysant à la fois les particules en suspension et les particules collectées par les pièges à particules. Nous avons ainsi pu apporter des informations nouvelles sur les échanges de radium entre la phase dissoute et les particules dans l'océan. Dans les différents bassins océaniques que nous avons étudiés, nous avons notamment caractérisé le rôle potentiel des Acanthaires dans le cycle du radium. Enfin, les informations que nous avons obtenues dans l'océan actuel - notamment en ce qui concerne le rapport 226Ra/Ba - sont importantes car elles permettent de mieux contraindre les outils que nous utilisons pour étudier l'océan actuel et l'océan passé (ex : datation par le rapport 226Ra/Ba).

La spectrométrie γ dose en une seule mesure tous les émetteurs γ dans un échantillon. L’auto-absorption des rayonnements γ dans des échantillons se manifeste par des pertes ou des gains d'impulsions. Pour caractériser une nouvelle géométrie de comptage, des améliorations du dispositif existant ont été apportées par des simulations MCNPX. Avec ce nouveau dispositif nous avons pu spécifier les doses absorbées et efficaces annuelles ainsi que les facteurs de conversion de dose des radioisotopes naturels pour des matériaux de construction et des prélèvements de sols. Des simulations ont montré l’influence des seuils de détection des rayonnements γ donc sur les facteurs de conversion de dose et la nécessité d’une mise à jour de ces facteurs. L’analyse par spectrométrie γ in situ du sol fait appel à des efficacités de détection simulées par MCNPX pour une source aux dimensions semi-infinies. Une application a été réalisée autour d’une centrale nucléaire et une autre pour une société. / Γ-ray spectrometry enables determining all γ-ray emitters in a sample with a single measurement. Self-absorption of γ-rays in samples is manifest by a loss or a gain of pulses that results in a poor estimation of the counting efficiency. To characterize a new counting geometry improvements of the existing set-up were made with MCNPX simulations. With the new geometry we could specify absorbed and annual effective doses as well as dose conversion factors for the natural radioisotopes of several building materials and soil samples. Simulations show the influence of detection limits of γ-radiation on dose conversion factors and the need for updating these factors. γ-ray measurements of soil in situ require different counting efficiencies simulated by MCNPX for a semi-infinite source. Two in-situ soil analyses were made, one around a nuclear power and the other for a private company.

Coal-fired power plants constitute a significant source of energy production for the United States, and are projected to do so for decades to come. Most of the scrutiny coal-fired power plants receive is in the form of environmental concerns regarding green house gas emissions of carbon dioxide, sulfur dioxide, and others. It is known that coal fly ash released through the stacks of coal power plants contains concentrated levels of naturally-occurring radiation, such as Radium-226. However, since the source of radiation is natural and the activity levels are low, there are no nuclear regulatory requirements imposed on coal plants. The focus of this study was to use the Nuclear Regulatory Commission’s (NRC) facility release criteria to determine whether the concentration of naturally occurring Radium-226 present in soil surrounding the Centralia Power Plant is elevated relative to soil collected 80 kilometers away. The non-parametric Wilcoxon Rank Sum test was used to compare twenty-eight soil samples collected within 3.4 kilometers of the Centralia Power Plant stacks against an equal number of reference samples collected in Port Orchard, Washington. It was determined that the average concentration of Radium-226 in soil near the power plant was 1.59 pCi/g, while the average concentration in reference soil was 0.59 pCi/g. The study suggests that the area around the power plant would fail to pass the release criteria of a NRC Multi-Agency Radiation Survey and Site Investigation (MARSSIM) Class 3 survey unit. If it is true that coal fired power plants increase background radiation levels measurably, but not at a level sufficient to cause alarm, it may be sensible to revise the strict emissions standards for nuclear facilities or increase requirements for utilities other than nuclear. / Graduation date: 2012

Thermal waters in Karlovy Vary are characterized by carbonate sedimentation in places of their emergence. These sediments contain radium. Radium bond in every type of sinter (aragonite, calcite) has been investigated experimentally by acid sinter dissolution. It has been found out, that radium can join dissoluble fraction in both sinter types . The original hypothesis that radium can bond only aragonite-type of sinter has been refuted. Additional experiments have been processed using synthetic radiobarite. Present radium in radiobarite can be partly dissoluted using acids. If radium was incorporated in radiobarite (it is known from locality Vřídlo in Karlovy Vary and elsewhere) then maybe it would be partly dissoluted in experiments.

Ce travail porte sur le comportement du Ra au sein d’un écosystème forestier (Montiers, Meuse). Il s’appuie sur la mesure de plusieurs traceurs isotopiques (déséquilibres radioactifs, rapports 228Ra/226Ra et 87Sr/86Sr) dans les différents compartiments du système eau-sol-plante. Les objectifs étaient : 1) d’étudier la mobilité du Ra et ses ascendants radioactifs entre les fractions minérales séparées d’un profil de sol, 2) d’évaluer le transfert du Ra vers les compartiments eau-plante de l’écosystème, 3) de caractériser le transfert du Ra et son temps de résidence dans la végétation, 4) de réaliser le bilan du cycle biogéochimique du Ra. Ce travail montre une forte redistribution de U, Th et Ra en fonction de leurs affinités respectives avec les différentes fractions minérales du sol. Bien que le Ra soit très fortement associé à la fraction fine (< 2µm) du sol, la végétation (hêtres) semble prélever le Ra des oxydes de fer du sol. Le transfert ultérieur de ce nucléide depuis les racines vers les parties aériennes de l’arbre est moins important que celui des autres alcalino-terreux, aboutissant à un temps de résidence dans la végétation de l’ordre de quelques années (2.6 ± 1.6 ans). Enfin, le cycle biogéochimique du Ra est caractérisé par un flux de dégradation de la litière souterraine plus important que celui lié à la litière de surface, par un apport atmosphérique en Ra négligeable et par un flux d'altération très important, ce dernier ne transitant pas par les solutions de sols gravitaires. Le Ra présent dans ces dernières provient presque exclusivement de la dégradation de la litière. / This work investigates the behaviour of Ra within a forest ecosystem (Montiers, Meuse). It is based on the quantification of several isotopic tracers (U- and Th- series disequilibria, isotopic ratios of 228Ra/226Ra and 87Sr/86Sr) in the different compartments of the water-soil-plant system. The research goals were : 1) to study the mobility of Ra and its radioactive ascendants in the separated mineral fractions of a soil profile, 2) to evaluate the transfer of Ra to the water-plant system, 3) to characterise the transfer of Ra and its residence time onto the vegetation, 4) to realise an account of the biogeochemical cycle of Ra. This work shows a strong redistribution of U, Th and Ra depending on their respective affinities with the different mineral fractions of the soil. Despite being predominantly concentrated in the clay fraction (<2 µm) of the soil, our findings indicate that trees (beeches) mostly extract Ra from the soil’s iron oxides. The subsequent transfer of this nuclide from the roots to the foliage is lesser than that of other alkaline-earth metals, leading to a vegetal residence time on the order of a few years (2.6 ± 1.6 years). Finally, the biogeochemical cycle of Ra is characterised by the degradation flux of fine-roots rather than that of leaves, by a negligible atmospheric input and by a strong weathering rate. Ra presents in the latter originates almost uniquely from litter degradation and does not pass through gravitational soil solutions.

L'objectif principal de cette étude est d'améliorer les connaissances sur le système aquifère de la basse vallée du Var, principale ressource d'eau potable dans une région soumise à des influences méditerranéennes et alpines. La composition des éléments majeurs et traces, des isotopes de l'O, du Pb et du Sr a été déterminée à différentes périodes hydrologiques dans les eaux du fleuve Var, de ses affluents, de la nappe alluviale de la basse vallée, et des aquifères des calcaires jurassiques et des poudingues pliocènes, qui constituent le substratum des alluvions. Les concentrations mesurées sont souvent proches du fond géochimique naturel, ce qui fournit pour chaque type d'eaux un point de référence de la qualité et permet, grâce à la sensibilité de la mesure des traces, de détecter la moindre pollution émergente. Des pollutions agricoles et/ou domestiques ont été détectées, en particulier dans les eaux des poudingues, ceci même en profondeur. Le fleuve constitue la principale source d'alimentation de la nappe alluviale, essentiellement à l'amont de la vallée. La recharge de la nappe par l'aquifère des poudingues représente 20% environ, ce qui est inférieur aux estimations précédentes. L'utilisation conjointe des éléments traces et majeurs met en évidence l'hétérogénéité des eaux des poudingues, et permet d'évaluer les proportions de mélange. L'alimentation de la nappe par les calcaires semble faible. La forte influence chimique des évaporites triasiques limite l'utilisation des isotopes du Sr comme marqueur d'origine des eaux. Les isotopes du Pb ont fourni des résultats complexes qui semblent montrer une origine à la fois naturelle et anthropique, cette dernière apparemment liée aux pluies. Les isotopes du Ra ont été utilisés afin d'estimer le temps de parcours dans la nappe alluviale. La faisabilité analytique de la méthode semble acquise. Malgré d'importants échanges avec le milieu traversé, l'utilisation des rapports isotopiques semble s'affranchir de certains processus complexes.

This thesis is a study of naturally occurring radioactive materials (NORM) activity concentration, gamma dose rate and radon (222Rn) exhalation from the waste streams of large-scale onshore petroleum operations. Types of activities covered included; sludge recovery from separation tanks, sludge farming, NORM storage, scaling in oil tubulars, scaling in gas production and sedimentation in produced water evaporation ponds. Field work was conducted in the arid desert terrain of an operational oil exploration and production region in the Sultanate of Oman. The main radionuclides found were 226Ra and 210Pb (238U - series), 228Ra and 228Th (232Th - series), and 227Ac (235U - series), along with 40K. All activity concentrations were higher than the ambient soil level and varied over several orders of magnitude. The range of gamma dose rates at a 1 m height above ground for the farm treated sludge had a range of 0.06 0.43 µSv h 1, and an average close to the ambient soil mean of 0.086 ± 0.014 µSv h 1, whereas the untreated sludge gamma dose rates had a range of 0.07 1.78 µSv h 1, and a mean of 0.456 ± 0.303 µSv h 1. The geometric mean of ambient soil 222Rn exhalation rate for area surrounding the sludge was mBq m 2 s 1. Radon exhalation rates reported in oil waste products were all higher than the ambient soil value and varied over three orders of magnitude. This study resulted in some unique findings including: (i) detection of radiotoxic 227Ac in the oil scales and sludge, (ii) need of a new empirical relation between petroleum sludge activity concentrations and gamma dose rates, and (iii) assessment of exhalation of 222Rn from oil sludge. Additionally the study investigated a method to determine oil scale and sludge age by the use of inherent behaviour of radionuclides as 228Ra:226Ra and 228Th:228Ra activity ratios.