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04/04/2011

La radioactivité pour les nuls

 

Depuis la catastrophe de Fukushima fleurissent dans les journaux des termes mystérieux :

Becquerel, Gray, Sievert ou milli-Sievert, …

 Je ne sais pas si vous êtes comme moi, mais j'avoue que je ne comprenais rien aux mesures d'irradiations et de contaminations nucléaires.  Comment mesurer  la radioactivité des rejets des réacteurs ou des déchets radioactifs et les impacts sur les êtres vivants ? A l’aide de quels appareils et dans quelles unités ?

  Avant d’écrire cet article, c’était pour moi un mystère. C’est pourtant important. En préparation du débat national qui aura forcément lieu, de façon officielle ou officieuse, et dans la perspective d’un éventuel referendum, il va bien falloir se faire une idée.

 Or, force est de constater que  la désinformation règne.

 D‘un côté, les gouvernements et le lobby pro-nucléaire pratiquent la langue de bois, de l’autre côté les associations anti-nucléaires manquent de pédagogie et de réalisme en minimisant les nuisances ou les difficultés de mise en œuvre des autres formes d’énergie. De plus la cacophonie s’est amplifiée ces dernières années, avec les risques climatiques  liés à l’émission de gaz à effet de serre ; il y a même des écolos pro-nucléaires.

 

Les media, quant à eux,  disent un peu n’importe quoi, par manque de compétence, par manque de recul  ou bien du fait des contraintes de l’information en temps réel.

 

J’avoue que j’ai dû pas mal batailler pour trouver et des réponses claires et tenter de les exprimer simplement. A vous de juger si j'y suis parvenu. Vous trouverez en fin d’article les sources que j’ai utilisées (dont paradoxalement, pas mal de sites officiels). Mais vous pouvez- vous contenter du résumé qui suit :

 


1. Qu'est-ce que la radioactivité ?

 

Les atomes radioactifs

Dans la nature, la plupart des noyaux des atomes (constituant la matière) sont stables.  Les autres, ont des noyaux instables : ils présentent un excès de particules (protons, neutrons, ou les deux) qui les conduit à se transformer (par désintégration) en d’autres noyaux (stables ou non). On dit alors qu’ils sont radioactifs car en se transformant ils émettent des rayonnements ionisants.

La radioactivité est également produite de manière artificielle. En France, les trois quarts de la production d’électricité sont d’origine nucléaire. La radioactivité est aussi utilisée en chimie, biologie (étude des cellules), géologie, archéologie (datation au carbone 14), agriculture, et en médecine (diagnostic et traitement des cancers). Enfin, les utilisations sont multiples dans l’industrie, pour la conservation des aliments (ionisation), le contrôle des soudures en métallurgie, la stérilisation du matériel médical ou la détection des incendies. 

 

Les rayonnements ionisants

Emis ou non par une source radioactive, les rayonnements sont dits ionisants lorsque leur énergie est suffisante pour éjecter un ou plusieurs électrons des atomes de la matière qu’ils rencontrent. Ce phénomène est à l’origine de leurs effets biologiques sur les cellules vivantes dont ils peuvent altérer les structures moléculaires.

 Les rayonnements ionisants se distinguent par leur nature, leur origine et leur énergie. Ils se présentent, soit sous forme de particules tels les rayonnements alpha (α), les rayonnements bêta (β), des neutrons (n) ou des protons (p),  soit sous forme d’ondes électromagnétiques tels les rayons X et gamma (γ) (3).

 Ils se distinguent enfin par leur gamme d’énergie. Par ordre croissant d’énergie, on les classe ainsi : X, γ, β, p, n, α. Leur caractéristique commune est de posséder une énergie suffisante pour arracher des électrons aux  atomes de la matière qu’ils rencontrent. Ces atomes, qui ont perdu ainsi leur neutralité électrique, sont alors qualifiés d’ions. Lorsque ces rayonnements ionisent les atomes des molécules constituant les cellules vivantes, ils y provoquent des altérations pouvant conduire soit à leur destruction soit à des modifications de leur fonctionnement. Ils sont totalement imperceptibles à nos sens.

 

 

2. Comment mesure-t-on la radioactivité ?

 

Les unités de mesures de la radioactivité

Le Becquerel, le Gray, le Sievert sont les trois unités qui mesurent la radioactivité, son énergie et ses effets.

 Le Becquerel (Bq)

Il permet de mesurer le niveau de radioactivité, également appelé activité. Il correspond au nombre d’atomes qui se désintègrent par unité de temps (seconde).

 La dangerosité des rejets ou déchets radioactifs est  mesurée fonction de la masse en Bq /g ou en Bq/kg.

 

Le Gray (Gy)

Il permet de mesurer la quantité d’énergie absorbée (dose absorbée) par de la matière (organisme ou objet) exposée à des rayonnements ionisants. 1 Gray correspond à une énergie absorbée de 1 joule par kilo de matière.

 

Le Sievert (Sv)

Il permet d’évaluer les effets biologiques des rayonnements d’origine naturelle ou artificielle sur l’homme, en fonction du type de rayonnement.

 Pour la relation entre le Sievert et le Gray, voir en fin d'article.

 

Les appareils de mesure

On mesure les Becquerels et les Gray, mais on calcule les Sievert.

 Toutes les méthodes de détection sont fondées sur le fait qu’un rayonnement crée des ionisations (arrachements d’électrons aux atomes) et des excitations (transmission d’une quantité d’énergie aux atomes qui passent ainsi d’un état fondamental à un état excité), et donc laisse une trace au sein même de la matière.

Quel que soit le mode de fonctionnement d’un détecteur et donc le principe sur lequel s’appuie la détection des rayonnements, il est toujours constitué des mêmes éléments : 

·         un capteur au niveau duquel le rayonnement interagit avec la matière ;

·         un système d’amplification qui met en forme et amplifie le signal produit par la sonde ;

·         éventuellement un système de traitement du signal

·         un système d’affichage qui indique :

-  l’intensité du flux de particules : le compteur ;

-  l’énergie des particules : le spectromètre ;

-  la dose absorbée ou le débit de dose absorbée : le dosimètre ou le débitmètre.

 

 

Relations entre les trois unités

Très schématiquement, il est possible de mieux symboliser la relation entre ces trois unités avec l’image suivante : un enfant lance des balles en direction d’un camarade :

BeqGraySiev.jpg

 

Le nombre de balles envoyées par seconde peut se comparer au nombre de particules de rayonnement émises par une source radioactive, c’est-à-dire son activité(Becquerel) ;

Le nombre de balles reçues par son camarade et leur force représentent l'énergie absorbée par Kg (Gray) ;

Les marques laissées sur son corps, selon que les balles sont plus ou moins lourdes et véloces et que les points touchés sont plus ou moins sensibles, sont l’effet produit, et peuvent se comparer à la dose efficace (Sievert).

 

Ce qu'il faut retenir :
1- Les rayonnements radioactifs ou radiations se mesurent en Becquerels
2- La dangerosité des produits radioactifs, des rejets, déchets et autres pollutions se mesurent en rapport avec leur masse en Becqurels par g ou par Kg (par extension on peut aussi le faire par volume : litre ou M3)
3-  Les irradiations (radiations reçues) se mesurent en Gray, qui représente l'énergie reçue par unité de masse Joule par Kg. Mais cette mesure n'est pas significative des effets sur les êtres vivants. Ces effets dépendent en effet de la nature des rayonnements et des organes qui ont été irradiés.
4-  Les effets sur les dellules vivantes se calculent au moyen des doses équivalentes et doses efficaces en fonction des 
Facteurs de nocivité des différents rayonnements et du Facteur de sensibilité à l´irradiation des différents organes.

 


 

Sources

 ·         Le dossier de l’Andra sur les déchets nucléaires
http://www.andra.fr/pages/fr/menu1/les-dechets-radioactifs/la-radioactivite-7.html


 ·         Le dossier du Réseau national de mesures de la radioactivité de l’environnement
http://www.mesure-radioactivite.fr/public/spip.php?rubrique62

http://www.mesure-radioactivite.fr/public/IMG/pdf/plq_asn_grandeurs.pdf

 

·         Pour l’effet sur l’organisme, l’excellent site sur Hiroshima

http://hiroshimabomb.free.fr/effetsorg.html#bq

 

·         Enfin sur les émissions radioactives à Fukushima, cette video de Roland Desbordes, président de la Criirad

http://www.universcience.tv/media/3000/les-emissions-radioactives-de-fukushima.html

 

 

 

Bonus 1 : Niveau d'activité et durée de vie

 

Certains éléments sont très radioactifs (milliards de milliards de becquerels), d'autre ont une faible activité (qui se mesure en milliers de becquerels).

 Par ailleurs, la durée de vie de ces éléments (durée pendant laquelle ils émettent des rayonnements), est très variable, d'un radionucléide à l'autre. On appelle période radioactive le temps au bout duquel une matière radioactive perd naturellement la moitié de sa radioactivité. Ainsi au bout de 10 périodes radioactives, la radioactivité d'un produit est divisée par 1 000.

 Cette période peut aller par exemple d'une fraction de seconde pour le polonium 214 à 4,5 milliards d'années pour l'uranium 238.  

Période.jpg

Courbe de décroissance de la radioactivité : la radioactivité est divisée par quatre après deux périodes, par huit après trois périodes…

 

Quelques exemples d'activités

La période radioactive d'un élément est systématiquement reliée par une fonction inverse de l'activité : plus la période est longue, plus l'activité est faible. Le tableau suivant donne des exemples d'activités pour 1 gramme de matière (Iode 131, Césium 137, Plutonium 239 et Uranium 238).

 

RADIOELEMENT

PERIODE  

ACTIVITE MASSIQUE  

 Iode 131

 8 jours

 4,6 millions de milliards de Bq/g

 Césium 137

 30 ans

 3 200 milliards de Bq/g

 Plutonium 239

 24 000 ans

 23 milliards de Bq/g

 Uranium 238

 4,5 milliards d'années

 12 300 Bq/g  

 

 

Bonus 2 : Les relations entre Gray et Sievert

Pour obtenir la relation entre Gray et Sievert, il est indispensable d'établir la notion de dose : une dose est une grandeur caractérisant l'effet biologique d'une irradiation sur les personnes qui y sont exposées.

 

La dose équivalente

 

Tous les rayonnements n´ont pas les mêmes effets sur l´organisme. La dose équivalente(Ht) traduit le fait que pour un même rayonnement (même nature et même intensité), l'effet sur un organe sera le même. Elle se calcule grâce à la relation :
Ht (Sv) = somme( Wr X Dtr )

Wr est un facteur tenant compte de la nocivité des différents rayons et Dtr est l'énergie déposée par kg de tissu par le rayonnement R (Gray).

Type et gamme d´énergie

Facteurs de pondérations radiologiques Wr

Photons, toutes énergies

1

Electrons et muons, toutes énergies

1

Neutrons, énergie de :       - moins de 10 keV

5

         - plus de 10 à 100 keV

10

                - plus de 100 keV à 2 MeV

20

               - plus de 2 MeV à 20 MeV

10

- plus de 20 MeV

5

Protons, autres que les protons de recul, énergie supérieur à 2 MeV

5

Particules α, fragments de fission, noyaux lourds

20

 Facteur de nocivité des différents rayonnements


Prenons l´exemple d´une victime ayant reçu 0.3 gray de l´explosion d´Hiroshima sous forme de fragment de fission et de neutron de faible énergie (-de 10 KeV). La dose équivalente reçue serai alors égale à 7.5 Sv :
Ht = somme ( Wr X Dtr )
     = 0.3 X 20 + 0.3 X 5
     = 7.5 

 

La dose efficace

   La dose efficace(E) tient compte des différences de sensibilité à l'irradiation des organes par le biais du facteur Wt :
Pour l´organisme, E(Sv) = somme(Wt X Ht) = Ht

car somme Wt est l´ensemble des organes contenus dans un organisme.
Pour calculer l´irradiation subie par un seul organe, on utilise la relation : E(Sv) = Wt X Ht.

Tissu ou organe

Facteurs de ponderations tissulaires Wt

Gonades

0.20

Moelle rouge

0.12

Colon

0.12

Poumons

0.12

Estomac

0.12

Vessie

0.5

Seins

0.5

Foie

0.5

Oesophage

0.5

Thyroïde

0.5

Peau

0.1

Surface des os

0.1

Autres

0.5

 Facteur de sensibilité à l´irradiation des différents organes


Par nature, la dose efficace ne se mesure pas, elle s’obtient par le calcul. Les doses efficaces sont évaluées sur la base de l’activité mesurée dans l’environnement et les effluents liquides et gazeux rejetés par les installations nucléaires en fonctionnement normal.

 En situation accidentelle, les doses sont calculées de la même façon. Lors des rejets, les doses sont évaluées en déterminant la quantité de radioactivité rejetée puis en calculant sa dispersion dans l’atmosphère, à l’aide de modèles mathématiques. Cela permet d’estimer ensuite la quantité de radioactivité inhalé par les personnes en fonction de leur situation géographique. De la quantité de radioactivité inhalée, il est alors possible de déterminer la dose efficace reçue par les personnes, fournissant des "coefficients de dose" par inhalation. En phase accidentelle, il faudra ajouter la dose efficace due à l’exposition externe provenant du panache radioactif et des dépôts de radioactivité dans l’environnement.

En routine ou en phase post-accidentelle, les doses reçues sont également évaluées en considérant l’ingestion éventuelle de produits contaminés. Le calcul des doses doit tenir compte :

- des dépôts sur les denrées consommables,

- des quantités de radioactivité transférées des sols aux plantes ou aux animaux.

Ce calcul nécessite de faire des hypothèses basées sur des enquêtes générales ou spécifiques sur les habitudes alimentaires des populations.