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Mesure de la radioactivité et protection civile

Risques associés à la radioactivité naturelle (II)

Découverte par Antoine-Henri Becquerel en 1896, la radioactivité est présente naturellement dans l'air à des doses évidemment infimes ainsi que dans les roches terrestres sous différentes concentrations.

Ce rayonnement est propre à certains éléments chimiques instables. La plupart se sont formés dans l'espace lors de l'explosion des supernovae, un cataclysme stellaire libérant tellement d'énergie qu'il est capable de synthétiser tous les éléments chimiques du tableau de Mendéléev. C'est au cours de la formation du système solaire que ces éléments radioactifs (radionucléides) ont été incorporés dans les planètes telluriques.

Il existe deux sources naturelles de radionucléides : les rayons cosmiques et les rayonnements d'origine terrestre.

Les rayonnements d'origine cosmique

Le rayonnement cosmique est divisé en deux composantes : le rayonnement primaire véhiculé par les rayons cosmiques d'origine solaire ou galactique et le rayonnement secondaire qui résulte de l'interaction des rayons cosmiques avec les constituants de l'atmosphère terrestre.

Annuellement, la dose effective de rayonnement cosmique reçue par individu est d'environ 0.38 mSv (38 mrem) mais elle varie considérablement en fonction de l'altitude. Ainsi, elle est d'environ 0.27 mSv au niveau de la mer, d'environ 0.8 mSv à 2200 m (Mexico) et d'environ 2 mSv à 3900 m d'altitude (La Paz, Bolivie).

Les rayons cosmiques produisent également divers radionucléides suite à leurs interactions avec les molécules de l'atmosphère. Le plus abondant est le carbone-14 qui est également assimilé par l'organisme (tant qu'il est vivant) et qui génère une dose effective annuelle par personne d'environ 0.012 mSv.

Le corps humain, source de radioactivité, de rayons gamma et de neutrinos

On en parle rarement, mais le corps humain est très légèrement radioactif car il contient du potassium-40 et du carbone-14. Chacun de nous émet également des électrons bêta qui sont à l'origine d'une exposition interne à la radioactivité et des rayons gamma issus de la désintégration du potassium-40. Au total, cette émission radioactive interne représente 0.25 mSv/an, soit environ 10 % de l'exposition à la radioactivité naturelle.

Pour être complet, on estime que 65 à 100 milliards de neutrinos solaires percutent chaque cm2 de notre corps chaque seconde et le nombre de photons est dix fois supérieur ! Sachant que chaque centimètre cube de l'univers contient également environ 300 neutrinos issus du Big Bang, notre corps contient à chaque instant quelque 20 millions de neutrinos primordiaux. Notre corps émet également quelques milliers de neutrinos chaque seconde.

Les rayonnements d'origine terrestre

Parmi les éléments radioactifs naturels présents sur Terre, il ne subsiste que ceux dont la demi-vie est comparable ou forcément supérieure à l'âge de la Terre. Les principaux éléments participant à cette radioactivité naturelle sont le potassium-40, le thorium-232 et les trois isotopes de l'uranium 234, 235 et 238. En émettant leur radioactivité, ces éléments se transmutent spontanément en éléments plus "légers" et moins radiotoxiques (thorium, radon, etc jusqu'au plomb). Ils sont principalement présents dans l'écorce terrestre et dans certains types de sols, dont la concentration varie en fonction du socle où ils se sont formés.

 La période d'activité (demi-vie) de ces radionucléides diminue progressivement jusqu'à ce qu'ils deviennent stables et inoffensifs. Leur période oscille entre quelque secondes et plusieurs milliards d'années :

Période des radionucléides d'origine terrestre

Radionucléide

Demi-vie

Iode-139

2 secondes

Radon-222

3.8 jours

Césium-137

30 ans

Carbone-14

5730 ans

Uranium-234

245000 années

Uranium-235

704 millions d'années

Potassium-40

1.28 milliard d'années

Uranium-238

4.47 milliards d'années

Thorium-232

14.1 milliards d'années

Il faut ajouter à cette liste le radon-222. Créé lors de la formation de la Terre, ce gaz est issu de l'uranium. Il est notamment émis par le granit, au point d'atteindre localement, dans certaines montagnes, des concentrations hautement radiotoxiques. La réglementation européenne fixe la limite de concentration en radon-222 à 400 Bq/m3 dans les anciennes habitations (en Belgique cela représente environ 5 % de l'immobilier dans le sud et le sud-est du pays) et à 200 Bq/m3 dans les nouvelles habitations.

Le radon est dangereux car c'est un émetteur de particules alpha (hélions He2+) qui sont nocives au contact direct des cellules vivantes (< 5 cm de distance) car elles sont constituées de particules lourdes et très chargées, offrant un fort pouvoir d'ionisation. C'est également un gaz qui se diffuse dans l'air que l'on respire et qui peut donc provoquer des cancers du poumon. En revanche, ses trois isotopes ont des périodes radioactives très courtes oscillant entre 3.9 secondes et 3.8 jours. Tous ces facteurs impliquent qu'il est nécessaire d'aérer les espaces intérieurs qui sont sujets à des émanations de radon.

A consulter : Le site RADON (AFCN) - Radon (France)

Radioactivité des matériaux en Bq/kg

Granit céramique

300

Béton

500

Granit

1000 - 4000

Déchets artificiels de très faible activité (TFA)

10000

Radium

3.7 x 1013

L'exposition aux rayonnements naturels terrestres s'opère de trois manières : par exposition externe directe, par exposition interne ou encore par ingestion ou inhalation de poussières radioactives. La dose d'exposition effective externe annuelle à laquelle nous sommes exposés est d'environ 0.46 mSv par personne mais varie d'un facteur 2 ou 3 en fonction de la géologie du sous-sol.

La dose d'exposition interne (mis à part la respiration du radon) est d'environ 0.23 mSv. Le potassium-40 contribue à 75 % de cette dose avec les produits de décroissance de l'uranium et du thorium.

La trinitite

Rappelons que sous l'effet de l'explosion de la première bombe atomique le 16 juillet 1945 dans le désert d'Alamogordo au Nouveau Mexique (cf. cette galerie d'images), dans un périmètre de quelques centaines de mètres autour du barycentre le sable du désert fondit et se vitrifia formant un nouveau type de roche d'aspect vitreus de couleur verdâtre qu'on appela "Trinitite" dont quelques échantillons sont présentés ci-dessous.

Cette roche contient des traces de produits de fission comme le césium-127, le cobalt-60 et l'americium-241 présentant une radioactivité modérée.

Trois échantillons de trinitites récoltés sur le site de Trinity avant 1952 et modérément radioactifs. A gauche et au centre, un spécimen de 7.5x5 cm, 23.2 g, 2000 cpm ou ~67 μSv/h. A droite, un spécimen de 4x3 cm, 13.3 g, 6000 cpm ou ~200 μSv/h. Document Radioactive Things.

De nos jours, le taux de radioactivité émit par la trinitite est de l'ordre de 100 cpm (count per minute ou détection par minute) soit 3.3 μSv (microsieverts) par heure pour un minuscule échantillon de 2 g mais certains spécimens de même masse peuvent émettre 10 fois plus de radioactivité (dose de 30 μSv/heure). En 10 heures d'exposition, ils peuvent donc dépasser le seuil de la radioactivité naturelle au niveau de la mer (0.30 mSv contre 0.27 mSv) tout en sachant qu'il est 30 à 40 fois supérieur (2.4 mSv) en haute montagne. Le seuil sanitaire étant fixé à 1 mSv/an, le site de Trinity et les échantillons que l'on vend présentent donc encore potentiellement un risque pour la santé.

Pour éviter tout risque de contamination, la Commission de l'Energie Atomique américaine (AEC) décida de remblayer le site d'impact de Trinity au bulldozer en 1952. Toutes les trinitites qu'on trouve encore sur le marché furent donc récoltées avant 1952. De nos jours, le site de Trinity est ouvert au public deux fois par an, en avril et en octobre.

La radioactivité artificielle

La population est exposé directement et indirectement à des sources de radioactivité artificielle. Par le passé, il y avait par exemple les retombées des explosions nucléaires en atmosphère. Mais il y a d'autres sources de radioactivité.

Parmi les sources directes il y a les appareils médicaux de diagnostic et de radiothérapie : appareil de radiographie, tomographie par émission de positons (PET scan), etc. Ces radiations ionisantes atteignent des doses effectives annuelles oscillant entre 0.4 et 1.6 mSv par an et par personne pour les diagnostics et environ 0.7 mSv par an et par personne pour la radiothérapie (en excluant les doses reçues pour les traitements des cancers par exemple). Dans les deux cas, les doses varient largement entre pays.

Installation PET scan (gauche) et images produites par ce système comparées à des images obtenues par IRM (imagerie par résonance magnétique). Le PET scan est un système d'imagerie médicale par scintigraphie (par injection de radioéléments dans l'organisme). Il permet de mesurer l'activité métabolique d'un organe. Il permet notamment de détecter les lymphomes et autres tumeurs, les effets des drogues et des maladies telles que la schyzophrénie, la maladie de Parkinson ou d'Alzheimer. Si le PET scan permet également de traiter les cancers, comme tout appareil exploitant des radioéléments un dysfontionnement peut libérer une surdose de rayonnements ionisants et affecter la santé du patient. Heureusement aucun cas n'a été signalé à ce jour. Documents Jefferson Hospital et Townsend ARC.

Les sources indirectes de radioactivité sont toutes celles résultant de la libération de radionucléides des suites du fonctionnement normal ou des accidents qui surviennent dans les installations nucléaires civiles et militaires.

Il y a tout d'abord les tests des armes atomiques réalisés en atmosphère entre 1945 et la fin des années 1990, très intenses durant la période 1950-1960. De grandes quantités de radionucléides ont été libérés dans l'atmosphère jusque dans la stratosphère où ils ont été dispersés avant de retomber très lentement sur tout le globe.

Un large spectre de produits de fusion et de fission fut libéré durant ces essais mais les dépôts actuels sont essentiellement limités à des radionucléides à longue vie tel que le césium-137 et le strontium-90 dont la période est voisine de 30 ans.

Juste avant l'accident de Tchernobyl par exemple, les doses effectives moyennes de césium-137 mesurées en Europe résultant des tests des armes nucléaires étaient d'environ 1000 Bq/m2 par an sur l'Europe occientale (Suède jusque France et Espagne et Sud de l'Italie) et trois fois plus élevée sur l'Europe centrale. En 1998, aux latitudes moyennes (40-50°N) où l'exposition fut la plus importante, la dose effective moyenne était d'environ 0.009 mSv par an et par personne, essentiellement due au césium-137.

Si on exclut les accidents survenus dans les centrales nucléaires, la seconde source de radioactivité artificielle comprend la production d'énergie destinée à des fins civiles et militaires (y compris tout le cycle de l'uranium depuis son extraction dans les mines, son enrichissement, son utilisation dans les réacteurs, son retraitement, etc), la fabrication des armes nucléaires, la production des radioisotopes, la réentrée atmosphérique des satellites munis de pile à combustible, les sources industrielles de rayonnements (radiographie industrielle y compris nucléaire, stérilisation), etc.

Mis à part les accidents, la contribution de ces sources est faible comparée aux autres doses auxquelles nous sommes exposés. A la fin des années 1980/début 1990 les doses effectives générées par ces sources variaient entre 0.1 mSv et 0.0.2 mSv par an et par habitant. Les populations vivant près de ces installations nucléaires ont reçu des doses plus élevées de l'ordre de 1 à 20 mSv et jusqu'à quelques centaines de mSv près des grands sites de retraitement.

Les accident nucléaires

L'accident de Tchernobyl survenu en 1986 et dans une moindre mesure celui de Fukushima survenu en 2011 furent évidemment de dramatiques exceptions à cette dose d'exposition artificielle aux rayonnements ionisants. Pour un dépôt donné de césium-137, la dose reçue par la population a largement varié en fonction de nombreux facteurs : le lieu, les habitudes des populations (le temps passé à l'extérieur, le type de bâtiment, les habitudes alimentaires, etc), l'âge des habitants, les caractéristiques des surfaces et en particulier les terres et la végétation sur lesquelles les poussières se sont déposées, le climat, etc.

Les caractéristiques du sol et des végétaux ont fortement influencé le transfert de césium du sol vers les plantes ou les animaux. Dans les cas extrêmes ont a relevé des différences d'un facteur 10 à 100 ! Même en considération le même aliment, on obtient parfois des différentes d'un facteur 3 dans un rayon de 1000 km.

La centrale nucléaire d'Indian Point (USA, 2 GWe) fournit environ 40 % de l'électricité de la ville de New York. Elle fut déjà victime d'un incident le 15 février 2000 et les Américains redoutent un attentat du type 11 septembre sur les installations. Document AAEA.

En 2004, si la contamination du lait ou des légumes en césium-137 était redevenue très faible voire négligeable (0.01 à 0.30 Bq/kg), la consommation de certains gibiers ou de baies sauvages restait limitée pour éviter de dépasser les seuils sanitaires.

Devant des variations aussi importantes, il n'est pas étonnant que les mesures effectuées sur les échantillons par différentes experts soient aussi disparates que la diversité de nos aliments (cf. par ex. ces tableaux et les relevés effectués périodiquement par les agences de contrôle nucléaire).

On estime toutefois en moyenne qu'en 1998 la dose de césium-137 effective était d'environ 1 à 2 mSv pour 1000 Bq/m2 par an et par personne, les plus faibles étant évidemment relevées en Europe de l'Ouest (ouest de la Belgique, centre de l'Angleterre, ouest de la France, Espagne). Bien sûr localement les pics ont été 3 à 30 fois plus élevés durant des semaines sinon plus longtemps, occasionnant probablement quelques cancers de la thyroide à terme chez certains individus. Bien que le lien de cause à effet ne puisse pas être démontré, des indices vont dans ce sens.

En Ukraine et en Bélarus, les doses effectives moyennes de césium-137 furent de l'ordre de 20 mSv pour 1000 Bq/m2 par an et par personne mais localement elles atteignirent des doses alarmantes, au point que le bétail et la végétation subirent d'importantes mutations en quelques années.

Au bout de 30 ans, le césium-137 se transmute en baryum-137 stable. S'il est libéré dans l'atmosphère, durant 30 ans toute les régions touchées resteront contaminées et la population ne pourra pas revenir chez elle au risque de contracter un cancer des voies respiratoires, du sang ou de divers organes. Etant donné que la radioactivité du césium-137 est divisée par 1000 au bout de 300 ans, certains endroits furent exposés à des doses tellement élevées qu'ils resteront dangereux durant plusieurs siècles. C'est particulièrement le cas de toute la région entourant Tchernobyl et de quelques villes situées plus au nord.

Après cet accident, les concentrations en césium radioactif sont également restées élevées en Europe, surtout dans certains sols de l'Est de la France, en Corse, en Italie et dans toutes les dépressions accumulant les pluies ou les organismes tirant leurs substance directement de la terre. 20 ans après Tchernobyl, certaines espèces de champignons, les baies et le gibier sauvages présentaient encore des concentrations de césium-137 frôlant le seuil de toxicité.

Mais nous avons vu à propos des effets de l'accident de Tchernobyl en Belgique qu'il faut prendre ces mesures avec circonspection et parfois relativiser leur impact. Ainsi, la pollution d'un canal d'évacuation par exemple ne représente pas la pollution moyenne régnant dans une région. Mais il est vrai que localement il reste des "taches" contaminées au sol ou dans les aliments mais elles n'affecteront pas la personne qui l'ingère si le contact n'est que temporaire.

L'échelle INES

Document T.Lombry

Heureusement, à ce jour aucun pays européen n'a connu d'accident nucléaire majeur. La gravité des accidents est classée dans l'échelle INES (International Nuclear Event Scale) présentée à droite dont l'amplitude est identique à celle des échelles qui mesurent la gravité de certains phénomènes naturels (séismes, cyclones…). Elle est destinée à faciliter la perception de l'importance des incidents ou accidents survenant dans les installations nucléaires ou dans les sites manipulant des matières radioactives.

Seuls les évènements ayant un impact, même potentiel, sur la sûreté nucléaire des installations sont pris en considération. Ces évènements sont classés en 7 catégories suivant leur importance, allant de l'anomalie (1) à l'accident majeur (7).

A partir du moment où un processus est contrôlé et les évènements enregistrés, on doit s'attendre à ce que tous les sites concernés (centrales nucléaires, centres de recherches, laboratoires industriels de traitement, hôpitaux, etc) connaissent des "écarts", des anomalies de faible importance de Niveau 0 sur l'échelle INES ou des incidents de niveau 1 liées à des défaillances matérielles ou des erreurs humaines. En théorie, il faudrait totalement arrêter l'activité pour qu'il n'y ait aucune anomalie ou incident.

Les principaux accidents nucléaires

Malgré les contrôles mis en place, l'Europe connut malgré tout quelques incidents graves et des accidents où il eut une contamination importante dans l'installation et une exposition aiguë des travailleurs : incendie d'un silo à La Hague en France en 1981 (Niveau 3), accident à Saint-Laurent-des-Eaux en France en 1980 (Niveau 4) et incendie à la centrale de Vandellos en Espagne en 1989.

Des ingénieurs et techniciens nucléaires retraités m'ont déclaré que les centrales nucléaires ou les centres de recherche ont également connu des incidents de Niveau de 2 souvent tenus sous silence exposant des travailleurs au-delà des limites légales d'exposition annuelle. Bien que cela soit trop tard pour le vérifier aujourd'hui, je serais curieux de visiter les tombes d'anciens travailleurs du nucléaire pour relever leur taux de radioactivité, aussi bien en Belgique qu'en France.

Le 28 mars 1979, la centrale de Three Mile Island (USA, 816 MWe) connut un accident de Niveau 5 avec la fusion partielle du réacteur N°2. Douze membres du personnel et environ 2000 civils furent très faiblement contaminés. Deux réacteurs sont aujourd'hui fermés (à l'arrière-plan).

Dans le monde, il y eut des milliers d'incidents et des dizaines d'accidents qu'il est vain de citer. Pour les plus anciens, rappelons seulement l'accident de Béryl de Niveau 5 survenu le 1 mai 1962. La France réalisait son deuxième essai souterrain dans le Sahara quand la montagne devant contenir l'explosion s'effondra et libéra un nuage radioactif dans l'atmosphère ! Vraiment l'amateurisme des militaires est parfois sidérant !

Plus près de nous, citons les évènements survenus dans les centrales nucléaires de Fukushima-Daiishi en 2011 (Niveau 7, plusieurs explosions de gaz, au moins 22 employés irradiés, des rejets majeurs de radioactivité et des effets étendus sur la santé et l'environnement), de Tokai-Mura et Mihama au Japon, respectivement en 1999 (Niveau 4, 2 morts et 439 personnes irradiées) et en 2004 (5 morts), ainsi que dans les centrales américaines de Three Mile Island (Niveau 5, 12 employés et 2000 civils faiblement contaminées, dont voici une simulation) et d'American Atomics' Tucson en 1979 (fuite avec contamination de nourriture d'une école publique proche par du tritium radioactif ).

Bien entendu nous avons tous en mémoire le naufrage du sous-marin russe nucléaire Kursk en 2000 (explosion d'une torpille dans la proue) et de l'explosion du réacteur d'un second sous-marin russe près de Vladivostok en 1985 (10 morts), sans oublier l'accident de Niveau 7 de Tchernobyl en 1986 en Ukraine, où certains pays comme la France se sont une fois de plus démarqués en sous-estimant volontairement le facteur météorologique alors que ce pays avait une longue expérience des explosions nucléaires.

Concernant la France, la raison n'avait rien de scientifique et on apprit bien plus tard que le Gouvernement avait agit de la sorte pour préserver son économie et notamment son agriculture...! En attendant, des milliers de civils ont été contaminés et ont contracté un cancer. 500 d'entre eux ont poursuivi l'Etat français pour son attitude criminelle.

Globalement, depuis 1944, environ 60 évènements de Niveau 3 ou supérieurs, pour ainsi dire un par an, ont été signalés dans la presse et cela continue malgré les contrôles !

A cette liste il faut ajouter les accidents du "petit nucléaire" dont nous avons discuté dans l'introduction.

Dernier chapitre

Que faire en cas d'accident nucléaire ?

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