Faibles doses d'irradiation - Définition

Le monde des faibles doses

Unités d'irradiation

Mesure de la radioactivité ambiante dégagée par le générateur atomique de la sonde Cassini, qui fonctionne au plutonium-238.

Ces faibles irradiations s'expriment dans des unités (sievert, becquerel,...) étranges et inconnues du public :

• L'unité utilisée pour mesurer une irradiation physique est le gray. Le gray mesure une énergie fournie par unité de masse, indépendamment de ses effets biologiques. La température augmente pour des puissances de l'ordre du kilogray, et le mégagray est l'ordre de grandeur de ce qu'il faut pour cuire un rôti dans un four à micro-ondes. Les irradiations rencontrées en radiobiologie correspondent à des énergies par unité de masse beaucoup plus faibles, insuffisantes pour chauffer la matière exposée. On le rencontre généralement pour exprimer des irradiations assez fortes, de l'ordre du gray (Gy), ou éventuellement du centigray (cGy) pour des expériences de « faibles irradiations » (qui ont néanmoins des effets mesurables).
• L'ancienne unité du rad, que l'on retrouve encore dans de nombreuses publications, correspond au centigray (ce qui explique que ce sous-multiple soit fréquemment utilisé). On a donc 1 cGy = 1 rad. En termes de radioprotection, le rad est une unité d'un bon ordre de grandeur : en dessous, les effets radio-biologiques sont négligeables ; un opérateur peut évoluer à titre exceptionnel dans des environnements de quelques rad, mais sous surveillance et pas trop longtemps ; et des flux de quelques centaines ou milliers de rad / heure imposent en pratique de travailler par télé-opération.
• L'unité normalement utilisée pour mesurer l'effet précis d'une irradiation sur un organisme est le sievert, qui inclut un terme correcteur pour tenir compte de l'effet relatif des différentes particules : se dorer au Soleil peut conduire à une exposition de quelques milliers de grays (on chauffe), mais cette exposition est due à un rayonnement infra-rouge, qui n'induit aucun effet ionisant sur l'organisme. Les « faibles doses » sont typiquement exprimées en milli-, voire en microsievert. Si l'on néglige ces termes correcteurs, les irradiations exprimées en sievert ou en gray sont du même ordre de grandeur pour les rayonnements habituellement rencontrés en radio-protection.
• L'unité utilisée pour mesurer l'activité d'une source radioactive est le Becquerel, qui est un nombre de désintégration radioactives par seconde. Il permet de mesurer indirectement la quantité de matière radioactive présente, connaissant par ailleurs l'activité massique du radionucléide concerné. Le Becquerel est une unité très petite, parce que le moindre atome qui se désintègre est comptabilisé, et il y a beaucoup d'atomes dans une quantité pondérale de matière (voir nombre d'Avogadro). Un corps humain moyen a ainsi une activité naturelle de dix mille Becquerel. La conversion entre l'activité (exprimée en Becquerel) et l'effet biologique (exprimé en sievert) dépend de la nature et de l'énergie des rayonnements impliqués, mais correspond toujours à un facteur extrêmement faible : L'auto-irradiation du fait de la radioactivité naturelle du corps humain (10.000 Bq) induit une exposition de 0,2 mSv/an, soit 20 micro-sievert par kilo-becquerel (µSv/kBq) et par an.

D'autre part, les « faibles doses » correspondent à des domaines de doses ou de débits qui peuvent être très variés mais sont souvent amalgamés. On peut facilement détecter des radioactivités de l'ordre du Becquerel, qui correspondent à une irradiation de l'ordre du nano- voire pico-sievert : la différence entre l'irradiation détectable par les moyens modernes et celle dont on sait qu'elle a des effets prouvés est de neuf ordres de grandeur - c'est la même différence qu'entre boire une goutte (1 mm³) de whisky dans toute sa vie, et en boire dix litres par jour.

Sources d'irradiation

La principale source d'irradiation est naturelle. Le niveau de l’exposition naturelle varie selon le lieu, généralement dans le rapport de un à trois. Dans de nombreux endroits il peut être beaucoup plus élevé.

L'irradiation naturelle provient principalement du radon, un gaz radioactif produit par les traces d'uranium présentes dans certaines roches comme le granite. Ce gaz émane du sol (dans des proportions très variables suivant la nature du terrain) et peut se concentrer dans les habitations mal ventilées. Le radon conduit à une exposition qui peut être très variable, de 1 à 100 mSv/an. En dehors du radon, l'irradiation due aux substances minérales radioactive peut également être importante localement, à proximité de gisements à haute teneur en uranium ou en thorium, ou encore plus rarement, dans des maisons accidentellement construites avec de telles roches ; mais une faible activité naturelle peut être mesurée dans tout matériau de construction : plâtre, brique, béton... L'exposition correspondante est également très variable, de 0,1 à 1000 mSv/an.

Les rayons cosmiques sont également une source notable d'irradiation naturelle, d'autant plus forte que l'on est en altitude. Au niveau de la mer et sous des latitudes moyennes, la dose est voisine de 0,3 mSv/an. C'est à cause des rayons cosmiques que l'irradiation moyenne augmente avec les voyages en avion.

Les substances radioactives présentes dans la nature sont également une source d'irradiation : 10% de l'irradiation moyenne reçue par une personne provient de son propre corps, principalement du fait de la désintégration du carbone 14 et du Potassium 40 (principalement présent dans les os). Cette irradiation est pratiquement constante.

L'homme est également soumis à des rayonnements provenant de sources artificielles. La radioexposition peut résulter de l’activité professionnelle (radiologue, travailleur de l'industrie nucléaire,...), et dans ce cas, dépend très largement de cette activité. Le niveau moyen de radioexposition professionnelle est généralement comparable à celui de l’exposition au rayonnement naturel, mais un faible pourcentage de travailleurs reçoivent des doses plusieurs fois supérieures à cette dernière. L’exposition des travailleurs est soumise à des limites internationalement reconnues, qui sont environ 10 fois supérieures à l’exposition moyenne au rayonnement naturel.

La principale cause d'irradiation est médicale, reçue lors de radiographies. Cette irradiation varie avec les pratiques médicales. Le niveau moyen d’exposition dû aux utilisations médicales des rayonnements dans les pays développés est équivalent à environ 50 % de l’exposition moyenne au rayonnement naturel dans le monde.

Certaines activités humaines contribuent à amplifier l'irradiation naturelle : c’est le cas par exemple de l’extraction et de l’utilisation de minerais contenant des substances radioactives et de la production énergie lorsque l’on brûle du charbon contenant de telles substances. Le charbon contient du potassium-40, de l'uranium et du thorium, et sa combustion les concentre d'un facteur 10 dans les cendres ; une partie de cette radioactivité naturelle est également rejetée dans les fumées et contribue à augmenter légèrement l'exposition de l'homme (du même ordre de grandeur que les rejets des centrales nucléaires, c'est-à-dire de l'ordre du micro-sievert par an).

D'autres sources s'analysent comme une pollution résultant d'activités techniques, comme les retombées des essais aériens des armes nucléaires, les retombées de l'accident de Tchernobyl ainsi que les rejets industriels. La dose effective annuelle moyenne sur la population mondiale a atteint un pic de 150 μ Sv en 1963, puis a diminué et est de 5 μ Sv en 2000. Ces doses annuelles sont restées relativement faibles, atteignant au maximum environ 7 % du rayonnement naturel. En France, l'impact moyen des rejets industriels (réacteurs, industrie du combustible, traitement des déchets) est inférieur à quelques millièmes de la radioactivité naturelle. Ces activités n’entraînent généralement des expositions qui ne correspondent qu’à une faible fraction de la dose moyenne d’irradiation naturelle dans le monde. Toutefois, certains groupes de population, au voisinage d’installations rejetant des matières radioactives dans l’environnement, peuvent recevoir des doses plus élevées.

Les téléphones portables ou les lignes à haute tension génèrent des rayonnements électromagnétiques de fréquence beaucoup trop faible pour être des rayonnements ionisants. Ils ne sont pas une source d'irradiation.

Modes d'irradiation

trois modes d'irradiation : Par irradiation continue, par dose ponctuelle, ou par contamination interne.

Les faibles doses d'irradiations peuvent être reçues suivant trois modalités assez différentes.

Les expositions aux faibles doses ponctuelles, reçues en une seule foi, sont mesurées en mili-sievert. Elles correspondent la plupart du temps, pour le public, à des radiographies ou des gammagraphies nécessaires pour des diagnostics médicaux. Plus rarement, en cas d'accident radiologique, des personnes peuvent également être exposées à de faibles doses d'irradiation : personnes mises en présence d'une source radioactive à plus grande distance et/ou pendant un temps suffisamment bref ; personnes se trouvant à proximité d'un accident de criticité. En cas d'accident nucléaire, c'est également la dose globale qu'il faut considérer pour pronostiquer le risque associé aux victimes d'une explosion atomique, ou des retombées radioactives

Une exposition continue ou répétée à un environnement irradiant expose à un débit de dose plus ou moins élevé, mesuré en micro-sievert par heure. Ce peut être un environnement de travail (cabinet médical de radiologie, travailleur de l'industrie nucléaire) ou d'habitation (effet de vivre en altitude, ou dans une région riche en uranium ou en thorium).

Enfin, une contamination interne par des substances radioactives (que ce soit par inhalation, ingestion, ou à travers une blessure) expose l'organisme à des rayonnements faibles, mais directement en contact avec les tissus, et sur une durée potentiellement longue (fonction de la période biologique du radioisotope, de son mode d'ingestion, de son état chimique,...). Ces contaminations se mesurent en becquerel, et la plus ou moins grande radiotoxicité de la substance (et s'il y en a, de ses descendants radioactifs le long de la chaîne de désintégration) est évaluée en sievert par becquerel (l'unité typique étant le µSv/kBq).

L'exposition au radon peut être vue comme un cas intermédiaire entre environnement irradiant et contamination. Ce n'est pas le radon lui-même qui pose un problème radiologique, mais ses descendants bloqués dans les poumons sous forme de micro-particule. Pour cette raison, une atmosphère chargée en radon est surtout considérée comme un environnement contaminant, diffusant un « terme source ». La teneur en radon est mesurée en becquerel par mètres cubes, et le séjour dans une atmosphère chargée en radon entraîne surtout une contamination interne des poumons par les descendants du radon, à un niveau estimé à 2,46.10^-9 sievert par heure de séjour et par Becquerel par m³.

Conséquences sanitaires étudiées

Irradiation expérimentale de souris de laboratoire pour la recherche sur le cancer, 1944.

Ces trois types d'exposition se traduisent en fin de compte par des mili-sievert, mais suivant des modes très différents. Dans les deux derniers, le faible débit de dose permet à l'organisme de cicatriser, et ne conduit pratiquement jamais à un syndrome d'irradiation aiguë. Dans les deux premiers cas, l'irradiation est le fait du rayonnement gamma (ou, beaucoup plus rarement, de neutrons), alors que dans le troisième cas l'irradiation est surtout le fait de rayonnement alpha.

En termes de radiobiologie, les différences entre ces modes d'irradiation sont très mal connues. Les expériences sur l'effet biologique des irradiations explorent les irradiations en une seule exposition (ou un petit nombre d'expositions) pour lesquelles un effet peut être constaté, au moins de l'ordre du centigray, parce qu'il n'y a pas de moyen simple d'observer un effet net sur les autres types d'expositions. Les expositions à long terme à des faibles débits de doses ne sont pratiquement pas explorés, en dehors de quelques études sur les taux de mutation génétique. De leur côté, les effets des contaminations ne sont guère explorés qu'à travers la mesure systématique de la période biologique des radioéléments, et l'étude de leur métabolisme, qui permettent de calculer les « micro-sievert par kilo-becquerel » ; mais l'effet biologique de ces micro-sievert n'est jamais étudié en tant que tel.

Quand on reçoit pendant très longtemps un très faible débit de dose, le total peut finir par faire beaucoup, mais une même dose n'a évidemment pas les mêmes effets suivant qu'elle est reçue en une seule exposition, ou étalée sur toute une vie. Les habitants de Ramsar, en Iran, vivent dans un environnement dépassant 100 mSv/an (jusqu'à 250 mSv/an). A quarante ans, un habitant y aura reçu une dose cumulée supérieure à 4 sieverts, c'est-à-dire théoriquement la dose létale tuant 50% des individus ; et son risque de cancer serait passé à plus de 20% si l'on suit la règle « linéaire sans seuil ». Rien de tel n'est observé.

Deux risques génétiques sont étudiés : principalement celui de cancer, et de manière secondaire, celui sur la fertilité et /ou tératogénicité. D'autres effets ont été signalés pour des doses d'irradiation intermédiaires : maladies cardio-vasculaires sur la cohorte de Hiroshima et Nagasaki, sur-mortalités pour la cohorte des « liquidateurs » de Tchernobyl.

Le risque de mutation génétique a été évoqué et très médiatisé dans les années 1950, à la suite des bombardements atomiques de Hiroshima et Nagasaki, et suite à l'accident provoqué par les retombées nucléaires de l'essai Castle Bravo en 1954, qui fit un mort. « Dans les années qui suivirent, et surtout suite aux observations faites sur les descendants des survivants de Hiroshima et Nagasaki, il devint clair que cette préoccupation était une sur-réaction, dues à des passions fortes suscitées par la menace d'une guerre nucléaire. » Aucun effet génétique transmissible imputable à un excès d'irradiation n'a jamais été mis en évidence chez l'homme, y compris suite à l'accident de Tchernobyl, bien que ce thème soit très récurrent et régulièrement exploité par des publications non scientifiques.

Ordres de grandeurs des faibles doses

Le domaine des « faibles doses » correspond aux doses inférieures à 10 mSv. Une dose peut être considérée comme reçue en une seule exposition quand la durée d'irradiation est plus faible que le temps de réparation des cassures de l'ADN par la cellule, de l'ordre de l'heure.

Ordres de grandeurs des faibles débits de doses

La limite du domaine des « faibles débits de dose », en dessous de laquelle aucun effet biologique n'a été détecté, peut être placée vers 1 mSv/h, voire 100 µSv/h, c'est-à-dire les limites réglementaires des zones contrôlées marquées « zones jaunes » en France.

Ces débits de dose sont mesurés en mili- ou micro-sievert par heure ou par an. Il s'agit dans la quasi-totalité des cas d'une irradiation par rayonnement gamma (ou par rayonnement X pour les cabinets médicaux). Cependant, les irradiations reçues à proximité immédiate d'un réacteur nucléaire (jusqu'à quelques dizaines de mètres) sont au contraire surtout dues aux flux de neutrons qui s'échappent du cœur (ce qui impose d'utiliser des dosimètres spéciaux). Des neutrons sont également présents dans les rayonnements cosmiques.

Un faible débit de dose entraîne en pratique une faible exposition, quelle que soit sa durée. Ce n'est que pour les forts débits de dose, reçus dans des environnements exceptionnels, que l'on fait le calcul inverse : A la limite entre « zone orange » et « zone rouge », où le débit de dose serait de 100 mSv/h, on peut transiter pendant 6 minutes avant de recevoir une dose de 10 mSv (réglementairement acceptable en circonstances exceptionnelles), et il faut rester plusieurs heures pour atteindre une dose de un sievert (niveau où apparaît la fièvre des radiations). Pour ces forts débits de dose, l'exposition est normalement exceptionnelle, la durée d'exposition est normalement inférieure à l'heure, et c'est la dose totale reçue en une seule exposition qu'il faut considérer pour en évaluer l'impact sanitaire.

Niveau	Débit de dose
100 mSv/h	« zone interdite » indiquée par une zone rouge : plus de 100 mSv/h Le débit de dose pour lequel le nombre de cassure double brin dû à l’irradiation est égal à celui produit pendant le même temps par le métabolisme cellulaire chez les cellules en prolifération (CDB endogènes) est de 5 mGy /min (300 mGy / h) ; ce nombre est de 0,14 CDB par minute dans les 2 cas. Cassures double brin de l'ADN supérieures au taux de réparation. Dislocations excédant les capacités de réparation cellulaires. Effets cumulatifs dépendant de la dose totale.
10 mSv/h	« zone contrôlée » en zones orange (spécialement réglementée) : de 2 à 100 mSv/h Taux de cassure double brin de l'ADN (~1/cGy) de l'ordre du taux de réparation (~ heure). Apparition éventuelle de phénomènes spécifiquement radio-induits aux expositions prolongées. Quand on irradie des souris tout au long de leur vie, à des expositions de 1.5 Gy/semaine (9 mGy/h), 2.2 Gy/semaine(13 mGy/h), et 3 Gy/semaine (18 mGy/h), le pourcentage de souris qui contracte un cancer de la peau est respectivement de 0%, 35%, et 100%, démontrant clairement une réponse à seuil
1 mSv/h 1000 µSv/h	Limite réglementaires inférieure des « zones contrôlées » en zones orange (spécialement réglementée) : à partir de 2 mSv/h 1 mSv/h reçu pendant un an entraîne une exposition totale de 8,76 Sv Des rats mâles restent fertiles pendant 10 générations s'ils sont exposés à 20 mSv par jour mais un accroissement, même léger, au-delà de cette limite inhibe totalement la spermatogenèse.
100 µSv/h	Limites réglementaires des « zone contrôlée » en zones jaunes (spécialement réglementée) : de 0.025 à 2 mSv/h Au contact d'un minerai d'uranium d'une activité de 20 000 c/s (20 kBq, soit de l'ordre d'un gramme d'uranium) on subit un débit de dose de 79 µSv/h. Niveau de radiation détecté sur la plage de sable noir de monazite de Guarapari au Brésil (131 μSv/h) ou dans certaines maisons de Ramsar en Iran (130μGy/h).
100 mSv/an 11 µSv/h	Exposition annuelle de la population aux rayonnements naturels supérieure à 100 mSv dans de larges régions comme le Kerala en Inde (expositions de l'ordre de 10 à 32 mSv/an) ou la ville de Ramsar en Iran. Irradiation dans la station spatiale internationale : 170 mSv / an. Limite réglementaire des « zones contrôlées » (zone verte) : de 7.5 µSv/h à 25 µSv/h.
10 mSv/an 1,1 µSv/h	Il faut conserver sur soi plusieur kg d'uranium pour s'exposer à un débit de 50 mSv/an. La limite autorisée pour les personnels exposés, en France, est de 20 mSv sur douze mois glissants par personne (Dosimétrie réglementaire), (Dosimétrie mensuelle fixée à 1,5 mSv). (Dosimétrie fixée par les entreprises à 16 mSv/an) (Code du travail, Article R231-76). L’inhalation de la fumée par une personne consommant 1,5 paquets de cigarettes par jour conduit à des doses au système trachéobronchial de l’ordre de 80 mSv/an (outre le dépôt de goudron cancérigène), du fait du polonium naturellement présent dans le tabac. Un fumeur de 30 cigarettes par jour s'expose par sa présence dans la fumée à l'équivalent de dose de 300 radios de poumons par an. Limite réglementaire de l'exposition admissible du public aux rayonnements artificiels, exposition justifiant une « zone surveillée » radiologique : de 2,5 à 7,5 µSv/h, soit plus de 80 μSv par mois, ou 1 mSv par an. Les zones considérées comme « sans danger » et habitables à la suite de la catastrophe de Tchernobyl sont celles où la population est exposée à moins de 35 rem en 70 ans, soit 0,5 rem par an ou 5 millisievert/an (5 mSv/an).
1 mSv/an 1000 µSv/an	L’irradiation naturelle (rayons cosmiques, radioéléments naturels présents dans l’organisme et la croûte terrestre) varie en France entre 1,5 mSv/an et 6 mSv/an. L'exposition moyenne aux radiations naturelles dans le monde est estimée de l'ordre de 2,5 mSv / an. La limite autorisée pour l'exposition de la population aux rayonnements artificiels, en France : 1 mSv/an/personne (Code de la santé publique, Article R1333-8). Elle était de 5 mSv/an en 1998. L'exposition annuelle due aux examens médicaux est en moyenne de 1 mSv/an. La CIPR propose pour le radon un coefficient de conversion de 1 millisievert par an pour 66 Bq/m3. La conservation à domicile d’un bloc de minerai d'uranium de 5 kg d’une activité de 1,5 MBq induit un débit de dose de 0,4 µSv/h ; et l’ordre de grandeur de la dose efficace sera de 1,75 mSv/an, sur la base d’un temps de présence journalier de 12h à une distance de 1 m de l’échantillon.
100 µSv/an	Pour l’évaluation de la performance du stockage des déchets radioactifs en couche géologique profonde, la dose reçue doit être inférieure à 0,25 mSv par an (limite retenue par l'Andra) dans le scénario le plus pénalisant. L'auto-irradiation du fait de la radioactivité naturelle du corps humain induit une exposition de 0,2 mSv/an. Cette dose présente la caractéristique d’être à peu près constante, quelle que soit la corpulence de l’individu et la région géographique. Les recommandations de l’OMS sur les critères de potabilité de l’eau de boisson sont que la dose reçue du fait de la présence d’un radionucléide dans l’eau de boisson ne dépasse pas 0.1 mSv/an. L'irradiation reçue au voisinage du centre de stockage de l'Aube (CSFMA), pour une personne passant 24h/24 à la clôture, 365 jours par an, est évaluée à 0,14 mSv/an.
10 µSv/an	L'exposition moyenne liée à la production d’électricité par énergie nucléaire (extraction et traitement de l’uranium, fonctionnement des réacteurs, rejets et déchets) correspondant à une exposition de l’ordre de 0,01 à 0,02 mSv par an.
1 µSv / an	L'exposition moyenne due aux essais nucléaires en atmosphère (sur toute la population mondiale) a été de 0,005 mSv/an et l’accident de Tchernobyl à conduit à une exposition moyenne de 0,002 mSv/an. Des personnes à proximité immédiate ont évidemment pu être plus irradiées.
<1 µSv / an	L’Andra a évalué l’impact maximal que pourrait recevoir une personne séjournant en permanence à proximité du Centre de stockage de Morvilliers (TFA), du fait des éventuels rejets. La dose de radioactivité que serait susceptible de recevoir cette personne serait de l’ordre de 0,01 microsievert par an.