Qu'est-ce que la radioactivité ? La radioactivité est la conséquence et la manifestation de l'instabilité du noyau des atomes qui composent la matière qui nous entoure et qui nous constitue.
Cet état instable peut avoir plusieurs causes au niveau atomique :
- Le noyau de l'atome a un excédant de neutrons (par rapport à la vallée de stabilité).
- Le noyau de l'atome se réorganise (un neutron devient un proton).
- Le noyau de l'atome est excité, il possède un excédant d'énergie (qu'il doit libérer).
Dans tous les cas, l'atome souhaite retrouver un état plus stable.
Cette radioactivité se manifeste sous plusieurs formes :
- Alpha (α) : 2 protons + 2 neutrons (4 nucléons) sont éjectés du noyau, c'est l'Helium 4.
- Beta- (β-) : 1 neutron (1 quark up + 2 quarks down) devient 1 proton (2 quarks up + 1 quark down), ceci est accompagné de l'émission d'1 électron + 1 anti-neutrino.
- Beta+ (β+) : 1 proton (2 quarks up + 1 quark down) devient 1 neutron (1 quark up + 2 quarks down), ceci est accompagné de l'émission d'1 positon + 1 neutrino.
- Gamma (γ) : résultat de la collision d'1 particule avec son anti-particule, 1 ou plusieurs photons (rayonnement de nature électro-magnétique) peuvent êtres libérés de l'atome du fait de sa désexcitation. La fréquence vibratoire de cette onde est supérieure à 30 exahertz (30000000000000000000 hertz).
- X : 1 électron passe d'un niveau d'énergie à un autre, ce qui s'accompagne d'une émission (photon) de même nature que le rayonnement Gamma mais de fréquence vibratoire inférieure (de 30 petahertz à 30 exahertz).
Ces émissions se comportent différemment selon le matériau traversé :
- l'Alpha est arrêté au contact d'une feuille de papier.
- Le Beta est arrêté au contact d'une tôle d'aluminium.
- Le Gamma est atténué en traversant plusieurs mètres de béton ou plusieurs centimètres de plomb, mais n'est pas arrêté.
Quantifier la radioactivité :Plusieurs unités de mesure standards (ou dérivées du système standard) existent et permettent de quantifier le niveau de radioactivité et la dose reçue. Chaque unité est à placer dans un contexte précis de mesures par rapport aux conditions et à l'environnement associé, ceci afin d'éviter de fausses interprétations des résultats.
Plusieurs paramètres interviennent pour quantifier la radioactivité :
- La nature de l'émission (Alpha, Beta, Gamma, X).
- La distance (à 1 cm, à 1 mètre, etc...).
- La durée d'exposition (1 seconde, 1 heure, etc...).
- Les parties du corps exposées au rayonnement (les effets seront bien différents selon la zone exposée).
- La sensibilité du matériel utilisé pour effectuer les mesures.
Voici une liste de quelques unités de mesure :
- Le Sievert (Sv) : établi une estimation de l'impact biologique de la radioactivité sur le corps humain (par unité de temps en heures ou en années).
- Le Becquerel (Bq) : est l'activité d'un radio-nucléide. Souvent indiqué par kilogramme de matière, 1 Becquerel signifie 1 désintégration d'atome / seconde.
- Le coup / seconde (Cps) : de même nature que le Becquerel mais sans quantification de la quantité de matière.
- Le Gray (Gy) : représente l'énergie (en Joules) apportée à une masse homogène d'1kg.
La dose reçue liée à la radioactivité naturelle en France est en moyenne de 1 millisievert / an par habitant. Pour les travailleurs du secteur du nucléaire en France, la dose maximale admissible est de 20 millisievert sur 12 mois glissants par personne.
Les risques de maladies et de cancers commencent à apparaître à partir de 100 millisievert (pas forcément lié à une unité de temps cette fois-ci), mais d'une façon plus générale, toute dose ajoutée à la radioactivité naturelle est susceptible d'augmenter les risques de développer une pathologie (on parle alors des risques liés aux faibles doses d'exposition).
Quelques notions sur les grandeurs physiques :
- 0.1 microsievert / heure par habitant est environ égal à 1 millisievert / an par habitant.
- En règle générale (cela dépend de la zone du corps exposée), 1 Gray est égal à 1 Sievert (unités de même dimension).
- 1 Joule est égal à 1 Watt / seconde.
Ces mesures sont déterminés par l'intermédiaire du tube Geiger, qui est l'élément sensitif d'un détecteur de radioactivité.
Le tube Geiger est un dipôle (cathode + anode) qui, rempli d'un gaz rare à basse pression (généralement le néon) et soumis à une différence de potentielle élevée (haute tension), est ainsi placé dans un état de métastabilité. Il suffit donc d'une particule (électron, positon, proton, neutron, ou photon) traversant le tube Geiger pour ioniser le gaz (les atomes perdent ou gagnent des électrons), se qui a pour conséquence de créer une avalanche d'électrons se déplaçant de la cathode vers l'anode. Le tube est alors en saturation (le dipôle est fermé, comme un interrupteur), c'est le coup (quantifié ensuite en coups / seconde).
La radioactivité naturelle (aussi appelé bruit de fond) a toujours été présente sur la planète, elle fait partie intégrante de la croûte terrestre, de l'atmosphère, des océans, et du vivant. Au cours de l'histoire et de l'évolution de la Terre, des réacteurs naturels ont existé bien avant l'apparition de l'homme. On en trouve des traces (vitrification des roches au voisinage de minerai d'Uranium) au Gabon, à la mine d'Uranium d'Oklo.
Une histoire d'isotopes et de descendants : Les isotopes radioactifs :Un isotope est un atome ayant un nombre différent de neutrons.
De fait, l'Uranium 236 est un isotope plus lourd (il a 1 neutron de plus) que l'Uranium 235. En revanche, un atome n'est pas un isotope d'un autre atome ayant un nombre différent de protons (comme le Cesium 55 n'est pas un isotope du Xénon 54), ce sont bien deux éléments chimiques différents.
Cette opération de transformation d'un élément chimique en un autre élément chimique s'appelle la transmutation.
Le corps humain est constitué de Potassium 40, un isotope radioactif ! Le Potassium 40 (19 protons + 21 neutrons) est instable, il se désintègre par radioactivité Beta- dans 88.8% des cas en Calcium 40 (20 protons + 20 neutrons), un élément chimique stable.
Un isotope radioactif (instable donc) ne se désintègre pas forcément d'une seule manière, dans un certain nombre de cas (exemple ci-dessus : 88.8% des cas) cela peut être via radioactivité Alpha, dans d'autres cas par Beta- ou Beta+, ceci est variable selon l'isotope et la situation.
Dans la plupart des cas l'Uranium 236 fissionne, mais dans un autre pourcentage de cas il se désintègre par radioactivité Alpha en Thorium 232, et dans un certain nombre (faible) de cas à l'aide d'un bombardement intense de neutrons qu'il capture, il se transforme en Uranium 237, puis par radioactivité Beta- devient du Neptunium 237.
La désintégration d'un atome peut être spontanée :
Un matériau constitué d'isotopes radioactifs perds la moitié de sa radioactivité durant une période radioactive, puis une autre moitié durant une autre période radioactive, et ainsi de suite, de sorte que la décroissance radioactive d'un matériau suit une courbe exponentielle.
Ce temps est dépendant de l'isotope considéré, en effet plus il est instable, plus sa période radioactive est courte, et plus ses émissions radioactives sont fortes. Il n'est pas possible de prédire la désintégration d'un seul atome, ce phénomène peut intervenir à n'importe quel moment (aléatoire), par contre il est possible de prédire la désintégration de la moitié d'un groupe d'atomes : 1kg d'Uranium 235 perds la moitié de sa radioactivité (ou de sa masse) en 703.8 millions d'années. Il reste alors 0.5kg d'Uranium 235 encore non désintégré, qui perds à son tour la moitié de sa radioactivité en 703.8 millions d'années supplémentaires, etc... Les premiers 500g d'Uranium 235 désintégrés ne sont pas volatilisés, il se sont transformés en Thorium 231 par désintégration Alpha, puis ce Thorium par désintégration Beta- se transformera en Protactinium 231, de sorte qu'un seul isotope radioactif au départ produit une grande quantité de descendants radioactifs dont il faut tenir compte pour les mesures effectuées dans le cadre de la radio-protection.
La désintégration d'un atome peut être induite :
Par capture d'un neutron lent, l'Uranium 235 devient de l'Uranium 236, beaucoup plus instable dans la plupart des cas, qui en conséquence se désintègre (fission) en ce scindant en deux atomes, ce sont les produits de fission. L'un des possibles est la désintégration en Krypton 92 et en Baryum 141, deux isotopes radioactifs aux périodes radioactives très courtes.
Remarquons que 236 - (92 + 141) = 3, ce qui signifie que 3 neutrons rapides sont éjectés lors de cette réaction de fission. Les 3 neutrons rapides ainsi libérés, si ils sont ralentis (par exemple en traversant un volume d'eau), peuvent être à nouveau capturés par de l'Uranium 235, qui à son tour deviendra un Uranium 236 par nature instable qui se désintégrera et éjectera à nouveau 2 ou 3 neutrons :
C'est la réaction en chaîne !
La réaction en chaîne est obtenue sous plusieurs conditions :
- La masse critique doit être atteinte (c'est-à -dire un certain volume de radio-isotopes dans le but de favoriser la capture de neutrons).
- La géométrie du réacteur (endroit ou se produit la réaction) doit être considérée avec importance.
- Des réflecteurs à neutrons (en carbure de tungstène) doivent êtres disposés autour des assemblages de radio-isotopes (crayons de combustible).
- Les neutrons rapides doivent êtres ralentis par des modérateurs (eau, Béryllium, ou Graphite) afin qu'ils soient capturés par les noyaux d'atomes.
(Ceci n'est pas valable pour les réacteurs à neutrons rapides, dont le fonctionnement est différent.)
Cette réaction en chaîne est accompagnée d'une forte émission Gamma, résultat de la perte de masse entre le début et la fin de la réaction, et du trop plein d'énergie à évacuer. Toutes ses émissions (Alpha, Beta, et Gamma) échauffent les différents matériaux utilisés au sein d'un réacteur d'une centrale nucléaire, ce qui permet de chauffer l'eau lourde, produire de la vapeur d'eau sous pression via un échangeur (interface entre le circuit primaire et secondaire), faire tourner des turbines, alternateurs, et produire de l'électricité sur le réseau.
Différents combustibles nucléaires : Le minerai d'Uranium 235 et ses dérivés :Le minerai d'Uranium se trouve à l'état naturel la plupart du temps dans des roches Pechblende (littéralement : minerai de malheur) sous la forme UO2 (dioxyde d'Uranium).
L'Uranium se présente généralement dans des proportions de 0.7% d'Uranium 235 (fissile), et 99.3% d'Uranium 238 (fertile), c'est pourquoi l'isotope 235 doit être enrichit (augmenter le ratio de 0.7%) pour que le réacteur ait un meilleur rendement. Néanmoins, il a existé par le passé des réacteurs à Uranium pauvre (non enrichit) nommés pile atomique : La première pile atomique (premier réacteur nucléaire) à avoir existé fut celle d'Enrico Fermi en 1942 aux États-Unis (dans une ancienne salle de squash sous les gradins du Stagg Field à Chicago).
L'Uranium 238 pour fabriquer le Plutonium 239 :
Dans un réacteur nucléaire, comme évoqué l'Uranium 238 n'est pas fissile, il est fertile, ce qui signifie que par capture de neutrons il peut servir à la fabrication d'un isotope fissile.
Ainsi bombardé de neutrons lents (neutrons thermiques), l'Uranium 238 se transforme alors en son isotope 239, très instable, qui par désintégration Beta- se transforme à son tour en Neptunium 239, ce dernier étant lui aussi radioactif Beta-, se transforme alors en Plutonium 239, un élément chimique fissile cette fois-ci.
Le Plutonium 239 a servit à créer le coeur de la première bombe atomique de l'histoire (coeur qui mesurait seulement 93mm de diamètre), elle fut testée grandeur nature lors de l'essai Trinity réalisé par l'armée Américaine le 16 Juillet 1945 dans le cadre du projet Manhattan.
Le Plutonium 241 qu'en à lui se forme à partir du Plutonium 239 puis 240 par capture de neutrons. Également, le Plutonium 238 peut être formé par captures de neutrons successives par de l'Uranium 236 n'ayant pas fissionné (U236 +1n > U237 Beta- > Np237 +1n > Np238 Beta- > Pu238).
Il existe 15 isotopes connus du Plutonium (tous radioactifs), les plus produits en réacteur sont :
- Le Pu238
- Le Pu239
- Le Pu240
- Le Pu241 (voir plus bas : "La radio-toxicité du Plutonium 241")
- Le Pu242
Le Plutonium 238 est souvent utilisé dans des missions spatiales de part le fait qu'il a une période radioactive courte (87.75 années) et donc une énergie issue de sa désintégration très élevée (environ 567 Watts / kg). Ce radio-isotope dégage une grande quantité de chaleur qui peut être utilisée pour produire de l'électricité à bord des astronefs dans des générateurs thermo-électriques à radio-isotopes. Sa désintégration spontanée Alpha n'étant pas accompagnée de rayonnements Gamma pénétrants, il est donc un bon candidat pour les longues expéditions habitées.
Le Plutonium est utilisé plus généralement dans les centrales électrogènes (nucléaires) sous la forme de crayons de combustibles en Zirconium, dans lequels se trouvent enfermé un composé de dioxyde de Plutonium (PuO2) et de dioxyde d'Uranium (UO2). Ce combustible est appelé MOX par la filière nucléaire.
Certains isotopes du Plutonium plus lourds que le Pu242, comme par exemple le Pu246, n'ont étés produits que lors des explosions atomiques car étant très lourds et instables, leurs fabrication requiert un bombardement de neutrons très intense.
L'exposition et la contamination :L'exposition externe :
L'exposition à la radioactivité est dite externe lorsque la source d'émission est situé à l'extérieur du corps. Cela peut être provoqué par la radioactivité naturelle (minerai) ou artificielle (stockage de déchets ou pollution). La durée d'exposition est très importante dans un calcul, associée à la dose reçue et à la zone du corps touchée, elle conditionne les facteurs de risques encourus. Dans les usines de retraitement du combustible usé, les techniciens accumulent une certaine dose de rayonnement ionisant. Pour éviter d'être contaminé, les éléments chimiques les plus dangereux sont manipulés à l'aide de boites à gants étanches ou télémanipulateurs mécaniques et robotisés à assistance électrique, ceci derrière des vitres blindées composées de Plomb (ce qui atténue les rayonnements).
L'exposition interne :
L'exposition interne qu'en à elle intervient lorsque la source d'émission ce situe à l'intérieur du corps, c'est alors la contamination. Ceci est très dangereux parce que l'énergie émise par un radio-isotope décroit au carré de la distance. Ce qui signifie qu'un atome d'Uranium 235 à quelques mètres de distance (sans danger immédiat), ne comporte pas les mêmes risques sur la santé que directement au contact des cellules du corps humain (dans le cas d'une ingestion ou inhalation).
Émise depuis une source externe au corps humain, la particule Alpha (Helium 4) est généralement inoffensive du fait qu'elle est peu pénétrante (elle s'arrête à la surface de la peau sans occasionner de lésions). En revanche, lors d'une contamination, l'émission Alpha (la plus ionisante comparé aux autres types de radiations) déposera toute son énergie dans le corps, ce qui pourra provoquer de façon irréversible beaucoup plus de dommages que les Beta, Gamma, ou encore rayonnements X (notamment la mutations des chromosomes).
On différencie la contamination interne et externe, car si vous portez sur vous la source de radiation (exemple : une petite poussière radioactive sur votre EPI), vous êtes dans ce cas également contaminé. Il est alors possible de se décontaminer en effectuant différents lavages des équipements de protection et/ou douches successives (tout dépend du degré de contamination).
La radio-toxicité du Plutonium 241 :Le radio-isotope Pu241 est l'élément le plus dangereux connu (plus de 1000 fois plus que les autres isotopes). Il a une période radioactive de 14.4 années, et une activité massique de 3848000000000 Becquerels / gramme.
Il est estimé que l'ingestion de seulement 9 milligrammes de Pu241 provoquerait chez l'homme une mortalité probable de 50% au bout de 30 jours (au bout d'un an avec 0.9mg, et au bout de 1000 jours avec 0.4mg).
Les descendants du Pu241 sont à considérer avec importance : Le Plutonium 241 se désintègre par radioactivité Beta- en Americium 241, un émetteur de rayonnement Gamma également particulièrement dangereux. A l'instar du Pu241, d'autres isotopes comme le Pu239 ont également une radio-toxicité particulièrement élevée. Par expérimentations, il est estimé que l'apparition de tumeurs pulmonaires chez l'homme après inhalation seraient provoquées par un dépôt de 200000 Bequerels soit environ 87 microgrammes d'oxyde de Plutonium 239. La production mondiale de Plutonium depuis sa découverte dans les années 1940 s'élève aujourd'hui à plus de 500 Tonnes réparties en différents pays.
Le cas de l'Iode 131 :L'Iode 131 est très radioactif parce qu'il a une période radioactive de seulement 8.02 jours. À relativement faible dose, l'Iode 131 provoque des mutations génétiques dans les cellules ou il pénètre et les cellules voisines, ce qui est le germe du cancer. Paradoxalement, c'est la raison pour laquelle ce radio-isotope est plus dangereux à faibles doses qu'à fortes doses. En effet, les cellules irradiées fortement étant détruites, elles ont moins de risque de propager un cancer. Notez que l'apoptose (mort cellulaire programmée) est essentiel dans l'équilibre et la survie des organismes multi-cellulaires en réponse à la prolifération cellulaire.
L'Iode 131 prend place dans la thyroïde chez l'homme. L'Iode 131 est un isotope volatile, il est produit en grandes quantités dans les réacteurs nucléaires, et se désintègre par radioactivité Beta- (95% des cas) en Xénon 131, c'est pourquoi les populations en zones classées à risque radiologique (accidents nucléaires) sont tenues informées et doivent le cas échéant prendre des pastilles d'Iode stable (non radioactif) afin de saturer la thyroïde, ce qui a pour effet d'empêcher l'isotope 131 d'y prendre place. Notez que cette prise d'Iode stable devrait s'effectuer 1 heure au moins avant la contamination, et que même l'Iode stable en grande quantité dans la thyroïde n'est pas sans effets sur la santé.
La contamination au Cesium 137 :L'isotope Cesium 137 est lui aussi produit en abondance dans les réacteurs nucléaires, et est l'un des nombreux produits de fission de L'Uranium. Le Cesium 137 se désintègre par radioactivité Beta- en Baryum 137m instable (m pour isomère), puis en Baryum 137 cette fois-ci stable. Le Cesium 137 a une période radioactive de 30.15 années. Avec le Strontium 90, il fait partie des déchets radioactifs à vie moyenne. Le Cesium 137 est la principale source de contamination de la chaîne alimentaire due aux essais nucléaires, et aux accidents de Tchernobyl et Fukushima.
Le Cesium 137 est assez mobile, il se répand sur les sols, les minéraux, se fixe dans les végétaux et les êtres vivants (notamment au niveau des muscles). La communauté scientifique internationale émet l'hypothèse que le Cesium 137 se réparti de façon homogène dans la masse musculaire de l'homme, tandis-que certains scientifiques Russes prétendent qu'il pourrait se concentrer au niveau du coeur de l'individu, provoquant diverses pathologies cardiaques (notamment des arythmies). Si il ne se stock pas définitivement dans le corps, le Cesium 137 à une période biologique d'environ 100 jours (temps après lequel il est évacué par l'organisme), ce qui dans ce cas précis signifie qu'1 noyau de Cesium 137 seulement sur 160 a le temps de se désintégrer à l'intérieur du corps.
La chaîne de désintégration du Radium 226 :Le Radium 226 par radioactivité Alpha et période radioactive de 1602 ans, se désintègre en Radon 222, un gaz radioactif à la période radioactive très courte (3.824 jours) et donc très radioactif. Plus largement, le Radon fait partie de la chaîne de désintégration de l'Uranium et du Thorium, on en trouve donc dans les mines d'Uranium, et les constructions en granite. Le Radium fut découvert par Pierre et Marie Curie en 1898 et a trouvé de multiples applications. Il est aujourd'hui interdit à cause de sa radio-toxicité. À l'époque (années 1920/1930) ou on ne connaissait pas bien encore les dangers de la radioactivité, le Radium (sous différents isotopes) a été largement utilisé (car brillant dans le noir et aux soit-disant effets thérapeutiques) dans des produits du quotidien (chiffres et aiguilles des réveils, pendules, boussoles, différentes crèmes pour le visage, laine pour bébés au Radium, etc...) et à usage professionnel (instruments pour le médical, cadrans des instruments de navigation en avionique, etc...). On ventait également ses bienfaits dans des stations thermales (aux eaux radioactives).
Les femmes qui peignaient au Radium (mélange de poudre de Radium, d'eau, et de colle) dans les manufactures étaient des ouvrières non informées sur les risques, elles affinaient la pointe de leurs pinceaux enduits de Radium (dont les poils finissaient par s'abîmer) avec leurs lèvres et leurs langues afin de continuer à peindre avec précision. Les conséquences sanitaires ne se sont pas fait attendre : cancers de la mâchoire et du cou.
Le Plomb 214 et 210 (deux descendants du Radium 226) ne sont pas stables, ils peuvent rester dans les poumons lorsque le Radon 222 est inhalé avant de se stabiliser en Plomb 206 (isotope stable) en passant par différentes étapes de désintégration (isotopes radioactifs de Polonium et de Bismuth).
Pour se faire une idée de la complexité des descendants d'un isotope radioactif, ci-dessous la chaîne de désintégration de l'Uranium 238 (appelée chaîne du Radium) qui passe par le Radium 226 (la période radioactive est notée entre parenthèses) :Uranium 238 > Radioactivité Alpha (4.4688 milliards d'années)
Thorium 234 > Radioactivité Beta- + Gamma (24.1 jours)
Protactinium 234 > Radioactivité Beta- + Gamma (1.17 minutes)
Uranium 234 > Radioactivité Alpha (245500 années)
Thorium 230 > Radioactivité Alpha + Gamma (75380 années)
Radium 226 > Radioactivité Alpha + Gamma (1602 années)
Radon 222 > Radioactivité Alpha (3.8235 jours)
Polonium 218 > Radioactivité Alpha (3.1 minutes)
Plomb 214 > Radioactivité Beta- + Gamma (26.8 minutes)
Bismuth 214 > Radioactivité Beta- + Gamma (19.9 minutes)
Polonium 214 > Radioactivité Alpha (164.3 microsecondes)
Plomb 210 > Radioactivité Beta- + Gamma (22.2 années)
Bismuth 210 > Radioactivité Beta- (5.012 jours)
Polonium 210 > Radioactivité Alpha (138.376 jours)
Plomb 206 (stable)Il est important de notifier que certaines des désintégrations Alpha ou Beta- à différentes étapes de la chaîne sont accompagnées d'émissions Gamma plus ou moins importantes. Ceci n'est pas le seul parcourt possible, par exemple dans un certain nombre de cas le Polonium 218 peut se désintégrer par radioactivité Beta- et devenir de l'Astate 218, le Bismuth 214 peut se désintégrer par radioactivité Alpha et se transformer en Thallium 210, etc...
Cet interlude était un aperçu pour les non-initiés de ce qu'est la radioactivité, j'espère vous avoir donné envie d'en savoir plus !
