Unités nucléaires et sangliers radioactifs

La radioactivité, c'est invisible, inodore, inaudible, et relativement mal compris du grand public. Exactement les caractéristiques qu’il faut pour occuper la place autrefois occupée par la superstition dans la société. Et la superstition, c’est la manne céleste des gens qui n’ont pas trop d’éthique, mais beaucoup de choses à vendre.

Si aujourd’hui l’argument « Brawndo contient des radionucléides » fonctionne un peu moins bien que dans les années 30 pour vendre des boissons soi-disant énergisantes, il fonctionne toujours très bien pour vendre du papier. Écrire dans un journal que « des niveaux supérieurs à la normale ont été détectés », ça fait toujours son effet (comme tous les trucs un peu inquiétant), et ça n’engage à rien. Même pas à faire son boulot de journaliste correctement. Oui, parce que si le but est d’informer les populations des risques auxquels elles sont exposées, le strict minimum du travail d’enquête, c’est de donner les doses efficaces qu’elles sont susceptibles de recevoir, qui s’expriment en sievert, et de les comparer avec les ordres de grandeurs des doses habituelles et des seuils sanitaires connus.

C’est l’occasion de faire un petit point sur les unités de mesures utilisées en radioprotection et leurs utilités respectives.

Le curie : le vieux de la vieille, mort et enterré.

Le curie (sans majuscule, pour distinguer l’unité de mesure du nom qui en est à l’origine) est une unité obsolète. Elle correspond à l’activité d’un gramme de radium 226. Normalement vous ne devriez jamais la rencontrer. Je le laisse pour la culture.

Le becquerel : à moitié vivant…

Le becquerel, c’est le nombre de désintégrations par seconde. Par exemple, d’après Wikipédia, une banane typique aurait une activité d’environ 19,5 Bq. Ce qui signifie que chaque seconde, en moyenne 19,5 noyaux radioactifs se désintègrent dans cette banane. Le becquerel mesure l’activité.

L’activité est directement liée à la demi-vie de l’élément radioactif (parfois appelée période, bien que ce terme soit encore plus impropre, puisqu’il n’y a aucun phénomène périodique en jeu).

Même si vous ne savez pas ce qu’est une demi-vie, vous devriez vous douter que si on compte en demi-vie et pas en durée de vie, c’est que la demi-vie n’est pas la moitié d’une durée de vie.

La demi-vie c’est le temps qu’il faut pour que la moitié des atomes radioactifs d’un échantillon quelconque se désintègrent. Plus un élément est instable, plus sa demi-vie est courte et son activité est élevée. Il sera plus dangereux, mais moins longtemps.

Par exemple, le plutonium 239 a une demi-vie de 24 110 ans. Donc si vous avez 1 000 atomes de plutonium à l’instant T, vous n’en aurez plus que 500 à T+24 110 ans, 250 à T+48 220 ans, 125 à T+72 330, etc.

Dernière chose : lorsque certains atomes se désintègrent, ils peuvent émettre des neutrons. Dont une partie va percuter d’autres noyaux atomiques. Dont certains vont assimiler le neutron et donc se transformer en noyaux plus lourds et éventuellement moins stables. Qui vont donc se désintégrer plus rapidement et émettre de nouveaux neutrons… C’est la réaction nucléaire. En augmentant le nombre d’atomes, on augmente à la fois le nombre de neutrons émis et la probabilité que ces derniers rencontre d’autres noyaux sur leur parcours et donc l’activité. Passée une certaine masse critique, la réaction s’emballe et on obtient une explosion nucléaire.

En résumé, l’activité dépend :

• de la stabilité des éléments constituant le matériau ;
• de la quantité de matière radioactive ;
• des réactions nucléaires qui peuvent se produire au sein du matériau.

Bon, c’est bien beau tout ça, mais en fait, à ce stade, on a pas encore parlé de radiations. Parce que les effets sur la santé, ça ne dépend pas que du nombre de noyaux qui fissionnent :

• Tous les atomes n’émettent pas la même quantité d’énergie lorsqu’ils se désintègrent.
• Les différents types de radiations ne transmettent pas leur énergie de la même manière à la matière.
• La quantité d’énergie reçue décroit rapidement avec la distance de la source radioactive.
• La quantité d’énergie reçue dépends de la durée d’exposition aux rayonnements ionisants.

Et le nombre de becquerels ne vous donne aucune information là-dessus.

Or très souvent, la seule information disponible dans les marronniers des différents journaux, c’est l’activité, donnée en becquerel. Et c’est un problème.

Le gray : cheveux poivre et sel

Le gray mesure la dose absorbée. Lorsque des atomes se désintègrent, ils émettent des rayonnements et des particules plus ou moins énergétiques dans toutes les directions. Le gray, homogène à des joules par kilogrammes, correspond à la quantité d’énergie transférée à l’objet qui nous intéresse (par exemple le corps humain). Elle dépend de plusieurs facteurs :

• L’activité : si vous doublez le nombre d’atomes qui se désintègrent, vous doublez la quantité de rayonnements émis et donc de rayonnements reçus.
• La durée d’exposition : la quantité d’énergie reçue est bien évidement proportionnelle à cette dernière. En particulier en cas d’inhalation ou d’ingestion, cette durée correspond au temps de résidence de l’élément dans votre corps. Un cas notable est le radium qui a le bon goût de se fixer sur les os, engendrant une exposition pouvant être considérée, à l’échelle de votre espérance de vie, comme définitive.
• La distance : de la même manière qu’un objet proche de vous intercepte une plus grande partie de votre champ de vision qu’un objet de même taille plus éloigné, la proportion de rayonnement interceptée par un corps quelconque est d’autant plus faible que ce corps est loin de la source. La dose absorbée diminue avec le carré de la distance. Par exemple si vous multipliez votre distance à la source par trois, alors vous diminuez votre exposition par neuf.
• Plus complexe : le type de rayonnement, qui influe sur la quantité d’énergie transportée par ce dernier et sur la façon dont il interagit avec la matière. Celle de votre corps aussi bien que celle située entre ce dernier et la source. Les noyaux fissiles peuvent émettre quatre types de rayonnement :
  • Le rayonnement alpha : en se désintégrant, l’atome libère un noyau d’hélium 4 (deux neutrons et deux protons). Comme c’est une particule assez grosse et très énergétique (~4000 KeV), elle interagit beaucoup avec les matériaux qu’elle traverse et leur transfert de grande quantité d’énergie, ionisant leurs atomes au passage. En revanche, si la particule α transmet beaucoup d’énergie au milieu environnant, alors elle va forcément se retrouver à sec très rapidement. Pour cette raison, le rayonnement α ne pénètre pas plus de quelques centimètres dans l’air. Un émetteur α peut être manipulé sans risque : le stratum corneum (la couche de cellules mortes à la surface de la peau) suffit à l’arrêter. En revanche une exposition interne, suite à une inhalation ou une ingestion par exemple, serait extrêmement dangereuse, car les cellules vivantes seraient directement exposées.
  • Le rayonnement bêta : la transformation d’un neutron en proton dans le noyau atomique libère un électron et un antineutrino (β-). Parfois, c’est la transformation d’un proton en neutron qui provoque l’émission d’un positron et d’un neutrino (β+). Les neutrinos/antineutrinos n’interagissent généralement pas avec la matière. Ils n’ont aucun effet. Les électrons et positrons sont ionisants. Cependant, ils contiennent moins d’énergie (de quelques kiloélectronvolts à quelques centaines) que les particules α et ils interagissent moins avec la matière. En conséquence, leur parcours est plus long, mais ils transfèrent moins d’énergie aux atomes croisés sur leur passage. En fin de parcours, ils provoquent l’émission de photons γ. Quelques millimètres d’aluminium, quelques centimètres de verre ou de plexiglas permettent d’arrêter la majorité des particules β. Là encore, le principal danger est l’exposition interne, même si la nocivité est moindre que pour la radioactivité α.
  • Le rayonnement gamma : lorsqu’un noyau est excité, suite par exemple à l’absorption d’une particule β, ou plus rarement d’une particule α ou d’un neutron, il peut revenir à son état fondamental en émettant une onde lumineuse de haute fréquence : le photon γ. L’énergie de ces photons peut varier de quelques dizaines à plusieurs millions de kiloélectronvolts. Ils interagissent peu avec la matière : la majeure partie va donc traverser le corps sans provoquer d’effet. À énergie transportée égale, ils sont donc moins nocifs que les particules α et β. La contrepartie et qu’il est difficile de s’en protéger : il faut 1,5 cm de plomb pour absorber 50 % d’un rayonnement gamma de 1000 KeV.
  • Le rayonnement neutronique : là encore, une bonne partie des neutrons traversent la matière sans interagir avec. Quelques-uns d’entre eux vont cependant rencontrer des noyaux atomiques. Plusieurs choses peuvent se passer à ce moment. Premier cas, la collision élastique : le neutron rebondit sur le noyau. Deuxième cas, la capture radiative : le neutron est absorbé par le noyau. L’isotope nouvellement formé est généralement dans un état excité et va émettre un rayonnement γ. Dans certain cas, ce nouvel isotope est aussi radioactif et pourra émettre des rayonnements α et/ou β. Lorsqu’un élément non radioactif est rendu radioactif par la capture d’un neutron, on dit qu’il est activé. Troisième cas, la capture fissile : si le noyau qui capture le neutron en contient déjà le maximum qu’il est capable de supporter, il va se briser et former de nouveaux éléments, généralement radioactifs, et émettre de nouveau rayonnements. Pour se protéger des émissions de neutrons, on utilise généralement de l’eau ou du béton mélangés à du bore.

Bon, je suis parti loin là. Retenez que les radioactivités α et β engendrent de très fortes doses pendant parfois très longtemps, mais uniquement en cas d’exposition interne (inhalation ou ingestion), les γ et les neutrons sont dangereux à distance, mais surtout lorsqu’ils sont émis en grandes quantités. Par exemple, à Tchernobyl ou Fukushima, ce seront les rayonnements α et β qui poseront problème. À Hiroshima et Nagasaki, c’est un « flash » de γ et de neutron qui a irradié la population. Dans les faits, les différents éléments radioactifs émettent plusieurs types de radiations à la fois, dans des proportions qui leur sont propres.

Quelques ordres de grandeurs :

• DL50 : entre 2,5 et 5 Gy chez l’humain.
• Syndrome d’irradiation aiguë systématique au-delà de 2 Gy.
• Hospitalisation nécessaire au-delà de 1 Gy.
• Effets déterministes au-delà de 0,5 Gy.
• Une radiographie pulmonaire : 1 mGy

Ces différents seuils peuvent légèrement varier selon que la dose est reçu d’un coup ou répartie sur plusieurs heures ou plusieurs jours. D’une manière générale, en dessous de 0,5 Gy, on parle d’effets stochastiques^[1]. Dans les faits, à moins de travailler dans le domaine ou de recevoir une bombe sur la tête (pas impossible vu les mabouls qui dirigent la plupart des pays équipés), vous avez peu de risque d’être exposés à des doses pouvant entrainer des effets déterministes. Non, ce qui vous intéresse, c’est de connaitre la probabilité d’attraper un cancer dans vingt ans si vous habitez à côté d’une centrale nucléaire où si vous mangez des champignons qui ont poussé en Alsace.

Bon, et bien désolé, mais connaitre la dose absorbée ne suffit pas pour faire ce genre d’estimation. Il nous faut une autre unité.

Le sievert : jeune cadre dynamique et efficace

Oui, parce que non seulement les différents rayonnements ne transmettent pas la même quantité d’énergie à la matière, mais pour une même quantité d’énergie, ils n’ont pas la même nocivité. On a donc rajouté un facteur de pondération empirique à ces différents rayonnements pour en tenir compte. Au moment où j’écris ces lignes les facteurs sont de 1 pour les rayonnements γ et β, 20 pour les α et entre 5 et 20 pour les neutrons selon leur énergie cinétique. Dit autrement, la nocivité d’un milligray de rayonnement α est équivalente à celle de vingt milligrays de rayonnement γ. On parle donc de dose équivalente, mesurée en sievert.

Mais ce n’est pas finit. En effet, tous les organes n’ont pas la même sensibilité aux radiations. Certains sont très peu impactés comme la peau ou les os, d’autres sont plus fragiles, comme les gonades ou le colon. On va donc attribuer une seconde pondération en fonction des organes touchés. C’est la dose efficace, elle aussi mesurée en sievert. Ainsi une radiographie du poignet est moins dangereuse qu’une radiographie des poumons. Votre exposition finale est la somme pondérée de l’exposition de vos différents organes.

Enfin il faut signaler qu’en l’état actuel des connaissances, il semble qu’une dose étalée dans le temps soit moins dangereuse qu’une dose prise rapidement. C’est pourquoi on parle parfois de débit de dose, généralement exprimé en mSv/h. C’est un peu comme si vous preniez 12 g de paracétamol en un an. Il est probable que si vous prenez un caché par mois les effets seront moins nocifs que si vous les prenez tous en une fois.

Pour les ordres de grandeurs :

• Au-delà de 0,5 à 1 Sv, on commence à rentrer dans les domaines déterministes avec un risque d’apparition de syndrome d’irradiation aiguë.
• Entre 100 mSv et 1 Sv, on estime que la probabilité de déclarer un cancer augmente de 0,5 % tous les 100 mSv.
• En dessous 100 mSv, on manque de données et on en est réduit à interpoler. En radioprotection on fait l’hypothèse d’une interpolation linéaire sans seuil, ce qui est probablement pessimiste. Mais mieux vaut prendre de la marge.
• Le surplus de dose autorisé pour les travailleurs du nucléaire est au maximum de 20 mSv/an en catégorie A et 6 mSv/an en catégorie B.
• En France, la dose moyenne due à la radioactivité naturelle est d’environ 2,5 mSv/an. Un peu plus si vous habitez en Bretagne, dans le Massif Central ou en Corse.
• Vous pouvez rajouter 2 mSv/an d’origine humaine (et en grande partie médicale).
• Un vol Paris – Berlin : 0,005 mSv.
• Manger une banane : 0,0001 mSv.

Voilà. Cette fois c'est bon. Ah non, il me manque le dernier. C’est pour lui que j’ai rédigé cet article après tout…

Le journaliste : l’adolescent boutonneux qui raconte n’importe quoi pour faire l’intéressant.

Si vous avez suivi jusque-là, vous comprenez à présent que vous ne pouvez pas prendre au sérieux un article de journal qui ne mentionne pas le surplus de dose efficace à laquelle est exposée la population. Par « surplus », j’entends la différence entre la dose reçue dans la situation dénoncée et la dose qui serait reçue en l’absence de cette situation.

Exemple récent : en décembre dernier, un article de la CRIIRAD, une association loi 1901 d’« information » sur la radioactivité, est repris en chœur par toute la presse : il y a du tritium dans l’eau potable. Jusqu’à dix becquerels par litre.

L’IRSN nous confirme que cette contamination est bien due aux activités du parc nucléaire. Je vous mets leur réponse, ce sera plus simple :

Sauf que le facteur de dose de l’eau tritié étant d’environ $1,8·10^{-8}$ mSv/Bq^[3], l’activité mesurée correspond donc à une dose efficace de $1,8·10^{-7}$ mSv/l. À trois litres d’eau par jour, ça fait une exposition de 0,0002 mSv/an, soit… deux bananes.

Même en atteignant le seuil réglementaire de 100 Bq/l, ce qui est déjà arrivé, nous serions à moins de la moitié de la dose reçue lors d’un vol Paris – Berlin (et répartie sur l’année qui plus est).

À cela, il faut rajouter qu’aucun phénomène de Bioconcentration ou de Bioaccumulation n’a pu être observé pour le tritium^[4]. Il s’agit donc d’un non-évènement.

Bien évidement, ça ne veut pas dire que toute information concernant la présence d’éléments radioactifs est à prendre à la légère. Il y a deux ans, différents journaux ont rappelé que les sangliers d’Europe Centrale présentaient de fortes quantités de césium 137 suite à la publication d’une étude^[5] ayant réussi à déterminer l’origine de ce dernier (Tchernobyl et essais nucléaires des années 60). Certains sangliers peuvent atteindre, dans les cas extrêmes, 15 000 Bq/Kg. L’IRSN nous annonce un facteur de dose de $1,3·10^{-5}$ mSv/Bq^[6]. Ce qui nous fait 0,1 mSv pour un steak de sanglier de 500 g. Pas de quoi s’affoler, d’autant que j’ai pris le sanglier le plus malchanceux de l’étude comme référence, mais si vous en mangez régulièrement vous pourriez finir par dépasser le seuil des 1 mSv/an, valeur maximale à laquelle les autorités tolèrent que la population civile soit exposée hors contexte médical. Pour cette raison, des mesures sont effectuées sur les carcasses en Saxe^[7] et celles qui dépassent les normes sont interdites à la vente. Je n’ai pas d’info sur les législations des autres pays du coin.

Maintenant, si vous êtes journaliste et que vous lisez cet article, je vous saurai gré, la prochaine fois, de m’éviter de faire ces calculs moi-même. C’est vous qui êtes payé pour ça après tout.

Excepté pour les quelques sources explicitement citées, toutes les informations et les chiffres de cet article sont basés sur ceux disponibles sur le site LARADIOACTIVITE.COM, géré par l’IN2P3. C’est un site très complet et très bien fait que je vous invite à consulter si vous désirez creuser le sujet. Et de mon côté, je vais même l’ajouter de ce pas à ma Webothèque.