La Radioactivité

Index
Avertissement
1. La radioactivité est partout
2. La radioactivité, c’est dû à quoi ?
3. Mesure de la radioactivité
4. Périodes et Activités
5. Les faibles doses
6. Quelques applications de la radioactivité
En guise de conclusion

 

 

 

 

Avertissement

Il ne s’agit pas ici de donner un cours théorique sur la Radioactivité ni d’entrer dans les détails de la Radioprotection, sujets que l'on pourra trouver sur des sites spécialisés (le site www.laradioactivite.com de l'Institut de Physique Nucléaire est particulièrement bien fait, mais on en trouvera d’autres à la Société Française de Radioprotection, au CEA, à l’IRSN, à EDF, AREVA, etc.); on se contentera ici de donner quelques notions simples qu’il est utile d’avoir en mémoire sur ce sujet qui n’est pas toujours bien maîtrisé par ceux qui en parlent.
.

 

1. La radioactivité est partout

Nous baignons en permanence dans les rayonnements : ondes radio, micro-ondes, ondes lumineuses (avec ses à-côtés infra-rouges et ultra-violets), rayons X, rayons gamma et cosmiques, particules diverses..., nous enveloppent et la vie sur Terre s’est développée dans ce déluge de rayonnements dont certains – les plus hautes énergies – sont ionisants (on confond souvent les termes « rayonnements » et « radiations », ce dernier ayant une connotation plutôt péjorative, mais quand on parle de radioactivité, le terme « radiation » sera de préférence réservé aux rayonnements ionisants).

 

Ainsi, de même que le soleil nous irradie de sa lumière, de même nous recevons des radiations naturelles provenant du fin fond de l’Univers, de notre galaxie, du soleil et de la croûte terrestre. On est donc exposé en permanence à une irradiation externe.

Elle varie très fortement en fonction du lieu où l’on vit, du type de sol et de l’altitude en particulier, de sorte que certaines populations sont beaucoup plus exposées que d’autres à ce rayonnement naturel sans qu’on ait pu mettre en évidence une quelconque propension de ces populations à développer plus de cancers ou de leucémies.

 

 

Et ce n’est pas tout, le corps humain (comme d’ailleurs tout être vivant) est lui-même radioactif, notamment à cause du potassium 40 et du carbone 14 présents dans les tissus vivants, en particulier les os. Ainsi, quand on mange de la viande ou tout autre nourriture, quand on boit du lait, on absorbe de la radioactivité.... Inquiétant ? Pas du tout, tout est une question de dose et rappelons-nous que nos ancêtres humains et pré-humains se sont développés dans une atmosphère bien plus radioactive que la nôtre!

Enfin on « respire » aussi de la radioactivité : l’exemple type est le radon, ce gaz radioactif descendant de l’uranium et présent partout, et pas seulement dans les zones granitiques. Les experts distinguent l’irradiation externe de la contamination qui découle de l’absorption de radioactivité par voie alimentaire ou respiratoire, bien qu’en réalité on pourrait alors parler d’irradiation interne. On peut aussi être contaminée extérieurement (sur la peau), mais cela revient à être exposé à une source externe.

 

Outre l’irradiation naturelle, nous pouvons recevoir des radiations provenant de sources artificielles, c’est-à-dire dues à l’action humaine. Ces sources sont essentiellement médicales (rayons X, traitements par des éléments radioactifs, dits aussi radioéléments), mais peuvent être aussi industrielles (rejets des industries chimiques – les engrais par exemple - ou nucléaires) ou militaires (essais nucléaires atmosphériques).

2. La radioactivité, c’est dû à quoi ?

Quelle est l’origine de ces radiations ? Dans la nature, rien n’est complètement stable et tous les systèmes évoluent vers un état d’équilibre. La radioactivité de certains éléments est en fait la manifestation d’une évolution d’un état instable vers un état d’équilibre. Cela a lieu par modification de la structure du noyau qui éjecte des particules qui sont excédentaires et émettent de l’énergie sous forme de photons. Cette évolution se produit selon un processus régulier qui suit des lois mathématiques précises et est appelée désintégration. Selon cette loi, tout élément radioactif a une durée de demi-vie (on l’appelle sa période) qui est le temps nécessaire pour désintégrer la moitié des noyaux présents.

 

Période physique et période biologique

Pour un élément radioactif ingéré, le temps nécessaire à son élimination dépend de sa période physique (sa demi-vie), mais aussi de sa période biologique, qui est la durée au bout de laquelle l’organisme a évacué la moitié de la quantité ingérée. Elle peut être plus ou moins longue selon le métabolisme des radioéléments concernés ; des moyens médicaux existent pour accélérer le processus d’élimination (saturation de la thyroïde par de l’iode stable par exemple).

On ne peut pas prédire quand tel élément radioactif se désintègrera, mais, compte tenu du nombre élevé d’atomes – rappelez-vous le nombre d’Avogadro –, on sait dire quel pourcentage d’atomes se désintègrera dans une durée donnée. Un atome radioactif va donc générer un autre atome, soit stable et alors le processus s’arrête, soit instable et alors le processus se poursuit avec la création d’un nouvel atome, etc., jusqu’à ce qu’on arrive à un atome stable.

 

Sur Terre, la plus grande quantité de radioactivité se trouve... sous nos pieds dans les profondeurs du manteau terrestre où elle est d’ailleurs la principale responsable de la température qui y règne et donc, indirectement, des volcans et autres sources chaudes.

Mais il s’en forme aussi régulièrement dans la haute atmosphère quand les rayonnements extra-terrestres heurtent les molécules qui s’y trouvent : c’est ainsi que naît le célèbre carbone14, mais aussi beaucoup d’autres comme le tritium par exemple.

 

Il faut distinguer 3 sortes principales de radioactivité : alpha (grosses particules qui sont des noyaux d’hélium), bêta (électrons ou positons très petits) et gamma (photons de grande énergie). L’émission de neutrons est aussi une source de rayonnements naturels ou artificiels (par exemple lors de la fission nucléaire en réacteur).

3. Mesure de la radioactivité

Comme beaucoup de choses dans la nature, la radioactivité ne se voit pas, ne se sent pas, ne s’entend pas, mais se mesure très bien et très finement. On utilise aujourd’hui trois unités légales – le Becquerel, le Gray et le Sievert - qui permettent de définir la radioactivité et ses effets sur la matière et sur l’Homme ; pour bien comprendre ce qui se dit et s’écrit sur la radioactivité, il est nécessaire de maîtriser la signification de chacune de ces unités.
Pour bien les distinguer et en utilisant une comparaison simpliste, imaginons un enfant qui jette de façon régulière des cailloux dans toutes les directions ; le nombre de cailloux lancés sera équivalent aux Becquerels tandis que ceux reçus par une cible (par exemple un autre enfant) correspondront aux Grays ; enfin le mal causé à l’enfant atteint dépendra de la taille et de la vitesse des cailloux, et de l’organe touché : cela correspondra aux Sieverts. On voit ainsi que parler de radioactivité en ne citant que le nombre de Becquerels (nombre forcément grand et pouvant apparaître inquiétant) ne rend pas bien compte des effets réels
Examinons de plus près ces unités : 

  • Le Becquerel (Bq), correspond à l’émission d’une particule par seconde (c’est donc aussi la désintégration d’un atome par seconde) ; cette unité est extrêmement petite, et son effet est pratiquement nul. On est donc amené à utiliser des multiples, tels que le mégaBecquerel (MBq) qui vaut 1 million de Bq, le gigaBecquerel (GBq) qui vaut 1 milliard de Bq et même le téraBecquerel (TBq) qui vaut mille milliards de Bq .

Le tableau ci-dessous donne quelques valeurs de radioactivité en Becquerels de substances courantes de notre environnement.

La radioactivité naturelle dans notre environnement

Croûte terrestre (moyenne) 1250 Bq/Kg
Eau de mer 12 Bq/Kg
Corps humain 115 Bq/Kg
Lait 80 Bq/l
Pommes de terre 150 Bq/Kg
Beton 500 Bq/Kg
Minerai d'uranium à 1% 12000 Bq/Kg

Le Becquerel a remplacé la Curie qui correspond à la radioactivité de 1 gramme de radium (1 Curie = 37 milliards de Becquerels ou 37 GBq) ; on voit bien l’extrême petitesse du Becquerel puisqu’il mesure la (radio)activité de trois cent-millièmes de microgramme de radium ; un autre exemple de la petitesse du Bq: si vous creusez dans votre jardin de quoi installer une piscine olympique, vous allez remuer de 10 milliards à 50 milliards de Becquerels selon la nature de votre sol.

 

  • Le Gray (Gy), l’unité de dose, est la quantité d’énergie reçue par la matière sous forme de radiations : il vaut un joule par kilogramme de matière. Cette unité ignore l’effet des radiations sur la matière vivante ; ainsi une source de 100 Ci (soit 3700 GBq) de Co60 irradiant une tumeur de 500 grammes délivrera la même énergie qu’une source du même élément de 0,5 Ci (soit 1,85 GBq) irradiant un homme de 100 kg (environ 1 Gray) bien que l’effet en sera très différent. Ou encore, si un homme de 80 kg reçoit une dose de 1 Gy sur tout le corps, il aura reçu une énergie totale de 80 joules ; si on irradie une tumeur de 50 g avec une dose de 40 Gy, il n’aura reçu que 2 joules ; il ne faut donc pas se fier au seul chiffre de la dose pour évaluer l’effet de la radioactivité !

Le Gray a remplacé le rad avec la correspondance 1 Gy = 100 rads

  • Le Sievert (Sv), l’unité de dose efficace, est comme le Gray une unité d’énergie mais qui tient compte de la nature des rayonnements et de leur effet biologique sur les différentes sortes de matière vivante ; elle ne devrait donc être utilisée qu’en radioprotection. Contrairement aux Becquerels, cette unité est très grande, de sorte qu’on utilise ses sous-multiples en particulier le milliSievert (mSv). Enfin, pour inclure la durée de l’exposition , on fait appel à la notion de débit de dose efficace qui s’exprimera généralement en mSv/h ou mSv/an.

Le Sievert a remplacé le rem avec la correspondance 1 Sv = 100 rem

 

 

Vous recevrez 1 mSv si :

  • Vous passez 17 mois à Paris
  • Vous passez 9 mois dans le Limousin
  • Vous faites 7 AR Paris-Tokyo
  • Vous passez 36 heures dans la station orbitale internationale

Quelques éléments de comparaisons : vivre quelques années près d’une centrale nucléaire ou en campant sur une plage voisine de La Hague et en s’y nourrissant exclusivement de produits de sa pêche impliquerait un supplément de dose analogue à celui reçu, du fait des rayons cosmiques, au cours d’un vol aller-retour Paris-New York ; analogue également au supplément de dose reçue si l’on déménage pour vivre dans un appartement situé 75 mètres plus haut ou si l’on passe 15 jours par an aux sports d’hiver. Même supplément de dose à nouveau si l’on sort, chaque année 6 heures de moins de sa maison (à cause du radon).

En outre, il y a un autre aspect à garder présent à l’esprit : tous les radioéléments n’ont pas la même nocivité (on dit radiotoxicité) pour un même nombre de désintégrations; en fait il y a des variations considérables comme on peut le voir sur le tableau ci-contre dans le cas d’une ingestion;

ceci signifie que certains radioéléments ont une nocivité quasiment nulle (tritium par exemple) alors qu’un autre, pourtant diabolisé par les antinucléaires (Pu239), est en fait 5 fois moins nocif que le polonium210 élément naturel. Cela vient du fait que l’énergie de la particule éjectée lors de la désintégration varie considérablement selon l’élément.

 

Reglementation applicable

Une réglementation fixe en France les valeurs qui ne doivent pas être dépassées tant pour le public que pour le personnel travaillant en milieu ionisant. En est disponible et expliquée sur le site de l’Institut national de recherche et de sécurité (ici). Elle a été élaborée à partir de travaux de différents organismes internationaux  (UNSCEAR, ICRU, ICPR, IAEA, Euratom...) voir notre page sur le sujet (ici). Cette réglementation fixe également les dispositions de protection, de mesure,  de suivi et de formation.

A titre d'information et de façon simplifiée les valeurs retenues pour les doses maximales sont les suivantes:

  • 1 milliSievert par an (mSv/an), ou des doses équivalentes de 15 mSv/an au cristallin et de 50 mSv/an en valeur moyenne pour tout cm2 de peau exposé pour le public*
  • de 6 à 500 millisivert par an (mSv/an) selon la catégorie de travailleur et la zone de l'organisme concernée pour les personnes exposées* (pour plus de détail voir ici).

* Ces limites réglementaires de dose ne s’appliquent pas aux expositions résultant des examens médicaux.

 

4. Périodes et Activités

Observez bien le tableau ci-dessous : il donne, à titre d’exemple, la chaîne de décroissance de l’isotope naturel le plus abondant de l’uranium. Vous voyez que les périodes peuvent être extrêmement variables depuis des fractions de seconde jusqu’à des milliards d’années.

Element

Période

Unité

Emetteur

Uranium-238 4,468 miliards d' années Alpha
Thorium-234 24,1 jours Bêta
Protactinium-234 6,7 heures Bêta
uranium-234 245 500 ans Alpha
Thorium-230 75380 ans Alpha
Radium-226 1600 ans Alpha
Radon-222 3,8235 jours Alpha
Polonium-218 3,1 minutes Alpha
Plomb-214 26,8 minutes Bêta
Bismuth-214 19,9 minutes Bêta
Polonium-214 164,3 µsecondes Alpha
Plomb-210 22,3 ans Bêta
Bismuth-210 5,013 jours Bêta
Polonium-210 138,376 jours Alpha
Plomb-206 Stable - -

 

Ce qu’il faut retenir :

a) Plus les périodes sont courtes, plus la (radio)activité spécifique (i.e. par unité de masse) est grande mais aussi plus vite il disparaîtra (il en reste un millième au bout de 10 périodes, un millionième au bout de 20 périodes) et inversement plus la période est longue et moins l’activité est importante.
b) Dans la nature, tous les éléments d’une chaîne sont en équilibre radioactif les uns par rapport aux autres, c’est à dire qu’il s’en détruit autant qu’il s’en crée, ou encore que chacun d’eux émet le même nombre de Becquerels.
c) Si on interrompt la chaîne, par exemple en extrayant un des éléments, le temps nécessaire pour qu’elle retrouve son équilibre dépend de la plus longue période des éléments qui suivent celui qu’on a extrait. Ainsi si on extrait le radium, il ne faudra que quelques années pour retrouver l’équilibre avec ses descendants (et quelques heures avec ses descendants les plus proches), alors que si on sépare l’uranium il faudra des millions d’années pour reconstituer la chaîne (c’est pour cela que l’U fraîchement purifié est très peu radioactif).
d) Dans la nature il y a 3 autres chaînes de décroissance analogues à celle indiquée ici et tous les actinides formés en réacteurs – c’est, entre autres, le cas de tous les isotopes du plutonium - ou en accélérateurs retombent par décroissance sur l’une ou l’autre de ces 4 chaînes ; l’une d’entre elles (celle du neptunium237) ne possédant aucun élément avec des périodes compatibles avec l’âge de la Terre avait même totalement disparu jusqu’à ce que l’avènement de l’industrie nucléaire ne la recrée.

5. Les faibles doses

Tout le monde sait que les faibles doses et la « loi » linéaire sans seuil, qui stipule qu’il n’y a pas de dose, si petite soit-elle, qui n’ait pas d’effet sur la santé ; est depuis longtemps l’objet d’une polémique. On se contentera ici de rappeler quelques notions de bon sens :

  • Il y a de très grandes variations de la radioactivité naturelle et aucune étude épidémiologique n’a pu mettre en évidence d’effets particuliers néfastes sur les populations les plus exposées naturellement ; par exemple il y a en moyenne 20.000 atomes de radon dans chaque litre d’air que nous respirons, avec des variations naturelles d’un facteur 20 rien qu’en France. Y a-t-il plus de cancers du poumon dans le Limousin que dans la Beauce ? Est-on plus malade si on vit près d’une centrale électrique nucléaire ou au charbon ?
  • C’est la dose qui fait l’effet ; 50 personnes prenant chacune un comprimé d’aspirine n’a pas le même effet que si une personne prend 50 comprimés d’un seul coup ; si vous me dites que l’aspirine peut avoir un effet bénéfique au contraire de la radioactivité, on peur dire la même chose avec un verre de whisky,
  • La radioactivité était beaucoup plus intense du temps de nos ancêtres et des formes de vie pré humaines ; cela n’a pas empêché l'espèce humaine de se développer.
  • Enfin il faudrait déjà définir ce qu’on entend par faible dose ; le fait d’aller vivre à 1500m d’altitude ou dans une longère bretonne en granit est-il dangereux ? Pourtant on va augmenter significativement sa dose de radioactivité naturelle. En tout cas bien plus que l’excès de dose reçu suite à l’accident de Tchernobyl.

 

 

 

6. Quelques applications de la radioactivité
La radioactivité ne doit pas être seulement considérée comme un risque, beaucoup de ses applications sont au contraire très utiles pour l’Homme :

  • Des applications médicales : radiographie, radiothérapie (Co60 et Ir192, probablement plus de 10 000 sources de chacun dans le monde), traçage par radioisotopes (en général à vie courte) et imagerie médicale,
  • Des mesures industrielles : mesures de niveaux, d’épaisseurs, de densité, de déplacements ; radiographie de soudures (contrôles non destructifs) ; on estime qu’il y a plus de 25 000 sources scellées en France,
  • Le marquage radioactif : en plus des applications médicales vues plus haut, le traçage radioactif permet de suivre des réactions chimiques, de voir l’action des catalyseurs et de mesurer les rendements de réactions d’échange,
  • L’ionisation alimentaire que beaucoup craignent, à tort: par exemple retardation des processus de germination (conservation de céréales et autres végétaux pendant l’hiver), arrêt de la prolifération microbienne sur des produits fragiles (viandes) ; l’ensemble est surveillé par diverses agences alimentaires et la FAO, et la radioactivité n’est pas, comme l’est un virus, transmissible donc pas de crainte d’ingérer de la radioactivité,
  • La protection d’œuvres d’art contre les insectes les moisissures ou les champignons (l’exemple le plus célèbre est celui de la momie de Ramsès II traitée à d’intenses rayons gamma pour la protéger des bactéries qui la menaçaient)
  • L’ionisation polymérisante : imprégnation de bois tendre (frêne, pins) avec une résine polymérisable puis irradiation pour obtenir un bois ayant la dureté du chêne,
  • Les datations, comme celle au célèbre carbone14
  • L’utilisation de sources dans les paratonnerres (Ra226, Am241,Kr85) très à la mode dans les années 60 est maintenant interdit (de même que les pacemakers au Pu).

En guise de conclusion

Il n’y a pas lieu de craindre par principe la radioactivité, qu’elle soit naturelle omniprésente ou artificielle (il n’y a pas de différence physique entre les deux), pas plus que nous n’avons peur de l’électricité ou des rayons du soleil ; connaître un sujet, c’est déjà commencer à le maîtriser.
Comme dans toutes chose ce sont les excès qui sont dangereux. Quand on sait mesurer et comparer à des valeurs qui ont été démontrées et redémontrées comme sans danger (exemple exposition à des courants électriques, au soleil, à des produits chimiques –médicaments inclus-) on sait ce que l’on peut faire en toute sérénité, ce que l’on ne peut pas faire au moins sans précaution particulière.