Radioactivité

La radioactivité est l’émission de rayonnement par des atomes fusionnant ou se désintégrant. Lorsqu’un noyau atomique instable, parce que trop léger ou trop lourd, se fond avec d’autres ou se scinde, il émet l’énergie équivalente à sa perte de masse sous trois formes :

• α, alpha (noyaux d’hélium) ;
• β, bêta (électrons) ;
• γ, gamma (rayonnement électromagnétique).

L'énergie est plus exactement libérée sous forme de noyaux d’hélium (α – alpha), d’électrons (β – beta) et de rayonnement électromagnétique (γ – gamma).

Distinctions

Si la désintégration est spontanée, on parle de radioactivité naturelle.

La radioactivité naturelle se produit lorsque des noyaux instables se désintègrent de manière autonome sans intervention extérieure. Ce phénomène est observé dans certains éléments présents dans la nature, comme l'uranium, le thorium et le radon. Ces éléments émettent des rayonnements alpha, bêta ou gamma au cours de leur désintégration pour atteindre une forme plus stable. La radioactivité naturelle est une source constante de rayonnement environnemental auquel tous les organismes vivants sont exposés.

La radioactivité « naturelle » est depuis toujours omniprésente tant dans l’univers (Soleil et étoiles) que sur Terre. Les éléments radioactifs les plus abondants tels que l’uranium 238, le thorium 232 et le potassium 40 subsistent aujourd’hui dans l’écorce terrestre. On trouve des radio-isotopes dans les rocs de granite mais également dans l’eau, l’air et même dans les espèces vivantes, animales ou végétales. Dans la couche terrestre, la radioactivité est la principale source de chaleur : elle permet de chauffer le magma et de maintenir la planète « hors-gel ». Elle est également très forte dans les étoiles, en particulier dans le Soleil dont elle chauffe la surface et qui émet ainsi le rayonnement indispensable à la vie sur Terre.

Si elle est provoquée par une réaction nucléaire, on parle de radioactivité artificielle ou induite.

La radioactivité artificielle ou induite se produit lorsque des noyaux stables deviennent radioactifs à la suite d'une interaction avec des particules ou des rayonnements externes. Ce phénomène peut être initié par des réactions nucléaires dans des réacteurs, des accélérateurs de particules ou des explosions nucléaires. Par exemple, lorsqu'un noyau d'uranium-238 capture un neutron, il peut se transformer en uranium-239, qui est radioactif. De même, en bombardant des éléments légers avec des particules alpha, des noyaux radioactifs peuvent être créés. La radioactivité artificielle est largement utilisée en médecine (radiothérapie, imagerie médicale), en industrie (contrôles de qualité, irradiation) et en recherche scientifique (traçage isotopique, étude des réactions nucléaires).

Dans le globe terrestre, la radioactivité est la principale source de chaleur.

Sur Terre et sur le Soleil

La radioactivité est omniprésente dans l’univers et sur Terre, la fusion ou la désintégration d’atomes instables étant des phénomènes courants de la matière.

Dans le globe terrestre, la radioactivité de fission est la principale source de chaleur. En chauffant le magma, elle est le moteur du volcanisme et de ses émissions de gaz à effet de serre. En liquéfiant la couche externe du noyau central, elle permet les mouvements à la base du magnétisme terrestre (effet Dynamo). Ce bouclier magnétique est essentiel à la vie sur Terre, car il la protège des mortels rayons cosmiques à haute énergie, en particulier solaires.

Dans le Soleil, la radioactivité de fusion des atomes d’hydrogène et d’hélium chauffe sa surface à 6 000°C. Cet énorme « corps noir » rayonne donc de l’infrarouge, de l’ultraviolet et un maximum de rayonnements visibles. Reçu et filtré par l’atmosphère terrestre, le rayonnement du Soleil est essentiel à la vie (photosynthèse). Il est à la base du climat (vents et précipitations).

Le noyau des atomes est constitué de neutrons et de protons fortement liés par une énergie nucléaire proportionnelle au « défaut de masse » de ce noyau. Cette énergie de liaison domine les forces de répulsion électrique qui s’exercent entre les protons chargés positivement. 

Les atomes très légers (l’hydrogène ainsi que ses deux isotopes deutérium et tritium, l’hélium) se fondent à des températures de plusieurs milliers de degrés et à de fortes densités, pour donner des atomes plus lourds, tout en rayonnant une énorme énergie. Des recherches internes sont en cours pour maîtriser ce phénomène en laboratoire à l’aide de puissants instruments (tokamaks, lasers - voir projet ITER). La radioactivité de fusion n’a actuellement pas d’utilisation civile. Dans ce qui suit, on se limitera à la radioactivité de fission des atomes lourds.

Dans les atomes très lourds (exemple : uranium 238, thorium 232), l’excès de protons et de neutrons crée une instabilité. Les atomes instables sont dits radioactifs et appelés radioisotopes (ou radionucléides).

Au cours de la désintégration en un ou plusieurs atomes plus stables, l’énergie de liaison initiale excédentaire est émise sous forme de rayonnement α (noyaux d’hélium), β (électrons beta) et γ (rayonnements électromagnétiques gamma).

La mort des êtres vivants peut être datée à partir de la radioactivité résiduelle du carbone 14.

Les radioisotopes les plus fréquents dans l’écorce terrestre sont les isotopes de l’uranium, du thorium et surtout l’isotope 40 du potassium (19 protons, 21 neutrons). Celui-ci peut se désintégrer en calcium 40 (89%) ou en argon 40 (11%).

Plus rare, le carbone 14 (6 protons, 8 neutrons) radioactif, constamment régénéré par les rayons cosmiques dans les organismes vivants, cesse de l’être à la mort de ceux-ci. En effet, à partir de l'instant où un organisme meurt, l’activité radiologique (la vitesse de désintégration) du carbone 14 contenu dans la matière organique décroît au cours du temps selon une loi exponentielle.  Ainsi, on peut dater la mort des êtres vivants à partir de la radioactivité résiduelle du carbone 14 exprimée en fonction de sa période radioactive (temps nécessaire pour que la moitié des atomes se désintègrent naturellement) qui est d’environ 5 730 ans.

La maîtrise de la radioactivité devient un enjeu fondamental compte tenu du développement du nucléaire. Par ailleurs, l’homme devra continuer de développer des techniques le protégeant contre les rayonnements ionisants.

L’être humain est exposé en permanence à des rayonnements d’origine naturelle ou artificielle : panoramique dentaire, scanner de l’abdomen, radiologies, etc.

Applications à l’énergie : la production d’électricité par les centrales nucléaires

La radioactivité est, avec l’émission de neutrons, la forme essentielle de l’énergie dégagée par les réactions nucléaires de fission.

Dans ces centrales, l’énergie primaire est produite par un réacteur chargé en uranium enrichi en isotope instable 235. Ce mélange est instable, car l’absorption d’un neutron lent par l’uranium 235 le transforme en uranium 236 qui fissionne en libérant deux à trois neutrons. Il y a donc une possibilité de réaction en chaîne. La radioactivité et l’énergie cinétique des produits de fission sont transformées en chaleur dans le matériau enveloppant le cœur du réacteur. Pour produire de l’électricité, cette chaleur est convertie en vapeur qui entraîne une turbine.

En février 2020, plus de 440 réacteurs nucléaires à neutrons lents sont « opérationnels » dans le monde selon l'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA). La France, qui a historiquement misé sur le nucléaire, a produit 70,6% de son électricité en 2019 grâce à ses 19 centrales nucléaires totalisant 58 réacteurs.

Une nouvelle génération de réacteurs à neutrons rapides, fonctionnant à haute température, pourrait obtenir des rendements très supérieurs aux centrales actuelles à neutrons lents. Elle permettrait d’utiliser directement et plus efficacement le combustible fertile qui constitue aujourd’hui l'essentiel des déchets des centrales des premières générations. Ces réacteurs « surgénérateurs » font l’objet d’études et de développements dans la plupart des grands pays nucléarisés, en particulier en Chine, en Inde et aux États-Unis.

Les parties prenantes de l’industrie de l’énergie nucléaire en France sont :

• le Commissariat à l’Energie Atomique (CEA) ;
• les entreprises comme EDF, Framatome, Orano ;
• l’ASN et l’IRSN, en charge du contrôle du nucléaire ;
• l’Andra (l’Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs) en charge de la gestion des déchets radioactifs.

Applications médicales

L’imagerie médicale

Il s’agit d’une discipline de pointe qui permet, de manière indolore, d’étudier et de visualiser des données biochimiques. Cela concerne aussi bien le fonctionnement des organes que le devenir de certains médicaments dans l’organisme. La tomographie par émission de positons (TEP) est une méthode d’imagerie médicale de visualisation par analyse de tranches puis recomposition de l’ensemble. Elle fournit des diagnostics précoces ou encore des informations aidant à apprécier la nécessité d’une intervention chirurgicale, par exemple dans le cas d’une identification de tumeur. L’examen en cancérologie permet de suivre la réponse du patient à un traitement de radiothérapie ou de chimiothérapie et d’identifier d’éventuelles métastases.

La TEP est fondée sur le concept général de la scintigraphie. Celle-ci est une technique d’imagerie médicale qui procède par l'administration, dans l'organisme, d'isotopes radioactifs afin de produire une image médicale par la détection des rayonnements émis par ces isotopes après captation par les organes à examiner. Ainsi la TEP permet de visualiser les activités du métabolisme des cellules. Elle est très fréquemment utilisée et permet le dépistage précoce de cancers car les cellules cancéreuses sont hyperactives électriquement.

La radiothérapie

Depuis près d’un siècle, la radiothérapie fait partie des méthodes thérapeutiques les plus efficaces pour lutter contre des maladies cancéreuses. Après quelques balbutiements au début, la technique est bien maîtrisée aujourd’hui et constitue avec la chirurgie le traitement le plus répandu des cancers, permettant un grand nombre de guérisons.

Le principe de la radiothérapie consiste à exposer les cellules cancéreuses à une ionisation, c'est-à-dire à une émission de radiations gamma qui va modifier le contenu de l’information génétique des cellules cancéreuses. Les propriétés des radiations ionisantes permettent d’agir sur le patrimoine génétique (ADN) des cellules et ainsi, modifient la structure des atomes. Dès lors, ces cellules cancéreuses meurent au moment où elles entrent en division pour se multiplier.

La radioprotection, qui comprend l’ensemble des mesures destinées à assurer la protection sanitaire de la population et des travailleurs contre les rayonnements, doit dans le futur accompagner l’utilisation potentiellement croissante du nucléaire et de la radioactivité.

L'irradiation bêta et gamma est utilisée en hygiène alimentaire.

La stérilisation des matériels médicaux

Le matériel médical est exposé à un rayonnement gamma (cobalt 60) de haute intensité. La dose de rayonnement est minutieusement contrôlée pour tuer les bactéries qui auraient pu pénétrer dans l’emballage au cours de la fabrication. La stérilisation est sans effet sur le produit proprement dit. 

Applications alimentaires

L'irradiation bêta et gamma est utilisée en hygiène alimentaire. Environ 20 000 tonnes de produits destinés à l'alimentation (épices et condiments, crevettes surgelées, volaille, etc.) sont stérilisées chaque année en France par irradiation gamma ou par des électrons accélérés.

Durant l'opération, le rayonnement touche seulement les atomes et molécules. Ce sont les rayonnements ionisants qui tuent les cellules, donc les micro-organismes, et qui stérilisent. Ainsi, la consommation d'aliments stérilisés par ce procédé ne présente pas de danger.

Becquerel

Un échantillon radioactif se caractérise par son activité, qui est le nombre de désintégrations de noyaux radioactifs par seconde se produisant en son sein. L’unité d’activité est le becquerel (Bq). Une désintégration par seconde est l’unité minimale.

Le corps humain émet une radioactivité naturelle de 8 000 à 10 000 désintégrations par seconde (mesurées en becquerels donc) pour une personne de 70 kg ⁽¹⁾.

Gray

Le gray (Gy) permet de mesurer la quantité de rayonnements absorbés (ou dose absorbée) par un organisme ou un objet exposé aux rayonnements. Le gray a remplacé le rad en 1986.

1 gray = 100 rad = 1 joule par kilo de matière irradiée.

Sieverts

Les rayonnements d’un organisme irradié se mesurent en sieverts et s’expriment également en « équivalent de dose ». L’unité la plus courante est le millisievert ou millième de sievert. 

Une personne habitant en France est exposée en moyenne à une « dose efficace » de radioactivité de 4,5 mSv/an, quasiment exclusivement d'origine naturelle et en raison de l'exposition médicale.

Les normes appliquées à la radioactivité des rejets liquides et gazeux des centrales nucléaires imposent des niveaux d’exposition inférieurs au 1/1 000^e de l’exposition résultant de la radioactivité naturelle.

En février 1896, Henri Becquerel prépare des cristaux de sulfate double d'uranyle et de potassium et les place sur une plaque photographique entourée d'un papier afin d'étudier leur phosphorescence. Il enferme ses plaques dans un tiroir. Quelques jours plus tard, il constate qu'elles ont été fortement « impressionnées » malgré l'absence de soleil. Il en conclut que ce sel émet un rayonnement de façon intrinsèque.

Ces rayons « uraniques » aiguisent la curiosité de Pierre et Marie Curie qui comprennent que l'origine de ce rayonnement est liée à certains éléments, l'uranium en particulier. Après avoir manipulé des tonnes de minerai, ils parviennent à isoler deux nouveaux éléments radioactifs, le polonium et le radium. Pour ces découvertes capitales, Henri Becquerel et les Curie reçoivent le prix Nobel de physique en 1903.

Par la suite, les recherches sur la radioactivité se poursuivent avec intensité. Marie Curie continue son travail malgré les dangers associés aux radiations, menant à des avancées significatives dans la compréhension des propriétés et des applications de la radioactivité. En 1911, Marie Curie reçoit un deuxième prix Nobel, cette fois en chimie, pour ses travaux sur le radium et le polonium, faisant d'elle la première personne à recevoir deux prix Nobel dans des disciplines scientifiques différentes.

L'impact de ces découvertes est immense, ouvrant la voie à des innovations médicales, comme la radiothérapie pour traiter le cancer, et à des progrès en physique nucléaire qui conduiront ultérieurement au développement de l'énergie nucléaire et des armes atomiques. La compréhension des mécanismes de la radioactivité transforme non seulement la science, mais aussi la société, soulignant à la fois les possibilités et les dangers des découvertes scientifiques.