Rayonnement ionisant - Définition

Les différents rayonnements ionisants

Les rayonnements les plus énergétiques transfèrent assez d’énergie aux électrons de la matière pour les arracher de leur atome. Les atomes ainsi privés de certains de leurs électrons sont alors chargés positivement. Les atomes voisins qui accueillent les électrons se chargent négativement.

Les atomes chargés positivement ou négativement sont appelés ions. Les atomes qui ont perdu au moins un électron sont devenus des ions positifs (cations), tandis que les atomes qui ont reçu au moins un électron sont devenus des ions négatifs (anions).
Les rayonnements capables de provoquer de telles réactions sont dits ionisants.

Les rayonnements ionisants regroupent :

• les rayonnements d'origine cosmique ;
• les ondes les plus énergétiques du spectre électromagnétique :
  • les rayons X : produits par des générateurs dans lesquels un faisceau d’électrons est envoyé sur une cible métallique. Il existe deux origines de rayonnements X :

• les électrons incidents, en interagissant avec le champ coulombien du noyau des atomes sont déviés et freinés, ce qui provoque un rayonnement de spectre continu décrit sous le nom d'effet Bremsstrahlung ;
• suite au bombardement de la cible par les électrons incidents, celle-ci éjecte des électrons venant des couches internes. Les électrons des couches supérieures y retombent, provoquant un rayonnement suivant des raies discrètes dont la fréquence est liée à la nature de la cible ;

• les rayons gamma sont émis par des atomes radioactifs lors de leur désintégration ;

• les rayonnements alpha, bêta moins (β^-) et bêta plus (β⁺) (particules émises par des atomes radioactifs lors de leur désintégration) ;
• les neutrons ne sont pas des rayonnements directement ionisants, mais puisqu'ils induisent des rayonnements ionisants par les particules secondaires créées lors de leurs interactions avec la matière, ils sont classés parmi les rayonnements ionisants.

Les autres rayonnements sont appelés rayonnements non ionisants et comprennent les ondes électromagnétiques les moins énergétiques : la limite se situe au niveau de la bande la plus énergétique de l'ultraviolet.

La dose absorbée traduit l'énergie absorbée par la matière

Lorsqu’un rayonnement pénètre la matière, il interagit avec elle et lui transfère de l’énergie. La dose absorbée par la matière caractérise ce transfert d’énergie. L’unité de dose absorbée par la matière est le Gray (Gy) qui est équivalent à un Joule absorbé par kilogramme de matière.

L'exposition de l'homme aux rayonnements

Pour apprécier à leur juste valeur les risques liés aux rayonnements ionisants, il est nécessaire de regarder l’exposition naturelle de l’homme, à laquelle il a toujours été soumis. Tous les organismes vivants y sont adaptés et semblent capables de corriger, jusqu’à un certain degré, les dégâts dus à l’irradiation.

En France, l’exposition annuelle de l’homme aux rayonnements ionisants est d’environ 2 mSv. En plus de cette radioactivité naturelle, nous sommes exposés à des rayonnements provenant de sources artificielles. Ces rayonnements sont du même type que ceux émis par des sources naturelles et leurs effets sur de la matière vivante sont, à dose égale, identiques. Ce sont essentiellement les radiographies médicales ou dentaires.

Seulement 1,5 % provient d’autres sources comme les retombées des essais aériens des armes nucléaires et les retombées de la catastrophe de Tchernobyl, mais leur effet peut être très aggravé lorsque la contamination est interne, suite à l'absorption de radionucléides dans les aliments.

Les modes d'exposition aux rayonnements

Selon la manière dont les rayonnements atteignent l’organisme, on distingue deux modes d’exposition : externe ou interne.

• L’exposition externe de l’homme aux rayonnements provoque une irradiation externe. Elle a lieu lorsque celui-ci se trouve exposé à des sources de rayonnements qui lui sont extérieures (substances radioactives sous forme de nuage ou de dépôt sur le sol, sources à usage industriel ou médical...).

L’exposition externe peut concerner tout l’organisme ou une partie seulement de celui-ci. Elle cesse dès que l’on n’est plus sur la trajectoire des rayonnements (cas par exemple d’une radiographie du thorax).

• L’exposition interne (contamination interne) est possible lorsque des substances radioactives se trouvent à l’intérieur de l’organisme. Celles-ci provoquent une irradiation interne. Elles ont pu pénétrer par inhalation, par ingestion, par une plaie ou par voie transcutanée, et se distribuent ensuite dans l’organisme. On parle alors de contamination interne. Celle-ci ne cesse que lorsque les substances radioactives ont disparu de l’organisme après un temps plus ou moins long par élimination naturelle, décroissance radioactive, et/ou traitement.

Une réglementation a défini depuis 2006 plusieurs modes d'exposition :

• exposition externe sans contact (à distance) : irradiation ;
• exposition externe avec contact : contamination externe ;
• exposition interne : contamination interne.

La contamination peut être surfacique, ou volumique (atmosphérique).

Voir aussi Irradiation et Contamination radioactive.

Valeurs de quelques périodes radioactives :

• iode 131 (¹³¹I) : 8 jours ;
• carbone 14 (¹⁴C) : 5 700 ans ;
• potassium 40 (⁴⁰K) : 1,3 milliard d’années.

Tous les radioisotopes ne sont pas éliminés naturellement (urines...) à la même vitesse. Certains peuvent s’accumuler dans des organes spécifiques (os, foie...) avant d’être évacués du corps.

Pour chacun des éléments radioactifs, on définit, en plus de sa période radioactive, une période biologique.

L'exposition naturelle

Il n'y pas de conséquence sanitaire au rayonnement naturel. Il y aurait peut-être même au contraire des effets bénéfiques aux faibles doses d'irradiation. En effet, dans certaines régions du monde (Ramsar (Iran), Kerala (Inde)), les doses reçues par les habitants dépassent 240 fois les doses généralement conseillées par les normes internationales. De plus, ces populations ne sont pas plus affectées que celles des régions avoisinantes, et il semble avoir plutôt un effet positif.

Les rayonnements ionisants que nous recevons de sources naturelles ont des origines diverses et se répartissent en trois principaux types :

Les rayonnements cosmiques

On appelle rayonnement cosmique un flux de particules (principalement des protons) dotées d’une énergie très élevée, de l’ordre du GeV. Il est d’origine solaire ou galactique. Ces protons de haute énergie entrent en collision avec les noyaux des atomes de l’atmosphère et créent des fragments eux-mêmes dotés d’une énergie élevée (protons, neutrons, muons, neutrinos, mésons, etc.).

Le débit d’équivalent de dose dû aux rayonnements cosmiques est en moyenne de 0,3 mSv/an au niveau de la mer. Mais il varie considérablement en fonction de l’altitude et de la latitude (voir le tableau ci-dessous).

Variation du débit d’équivalent de dose absorbée (mSv/an) en fonction de l’altitude et de la latitude

Altitude (km)	0° (équateur)	30°	50°
0	0,35	0,4	0,5
1	0,60	0,7	0,9
2	1,0	1,3	1,7
3	1,7	2,2	3,0
4	2,6	3,6	5,0
5	4,0	5,8	8,0
10	14,0	23,0	45,0
15	30,0	50,0	110,0
20	35,0	60,0	140,0

Cela a pour conséquence que certaines populations subissent une exposition plus importante que la moyenne. Le tableau ci-dessous donne les équivalents de dose reçus par les populations de villes situées en altitude.

Débit d’équivalent de dose des rayonnements cosmiques
dans des régions de haute altitude

Ville	Altitude (m)	Latitude (°)	DDDE (mSv/an)	Population (hab)
La Paz (Bolivie)	3 630	16° S	2,7	320 000
Quito (Équateur)	2 850	0°S	1,6	213 000
Bogotá (Colombie)	2 640	4° N	1,5	325 000
Cerro de Pasco (Pérou)	4 259	10° S	3,3	20 000
Lhassa (Tibet)	3 684	30° N	3,1	20 000

Les éléments radioactifs contenus dans le sol

Nous sommes exposés aux rayonnements dus aux radioéléments présents dans la croûte terrestre. Il existe une cinquantaine de radioéléments naturels dont la plupart font partie des 3 familles naturelles du thorium, de l’uranium et de l’actinium.

C’est le thorium qui existe en quantité la plus importante (10 ppm en moyenne). On trouve ensuite l’uranium (2 à 3 ppm), puis l’actinium.

Un autre radioélément contribue de façon notable : le potassium 40 (⁴⁰K), isotope naturel du potassium (0,01167 %). Sa concentration est de l’ordre de 100 à 1 000 Bq/kg de sol.

Le débit de dose radioactive absorbée moyen dû à l’ensemble de ces isotopes est d’environ 0,3 mSv/an en France. Il varie cependant largement en fonction de la composition du sol. L’équivalent de dose reçu en Bretagne ou les Vosges est de 2 à 3 fois supérieur à celui reçu dans le Bassin parisien. Dans certaines régions, comme l’État de Kerala sur la côte Sud-Ouest de l’Inde, il atteint même 30 mSv/an.

La chaleur interne de la Terre provient, selon une proportion d'environ 80 %, de celle produite par la radioactivité naturelle du sol. Voir l'article Géothermie.

Les éléments radioactifs naturels absorbés par inhalation ou ingestion

Des émanations gazeuses de certains produits issus de la désintégration de l’uranium contenu dans le sol tels que le radon, ou le potassium des aliments dont nous retenons une partie dans notre organisme (élément dont nous maintenons en permanence un stock d'environ 165 g par personne), provoquent chez chacun d’entre nous, en moyenne, une irradiation de 1,55 mSv par an. La principale source d’irradiation naturelle est le ²²²Rn, gaz naturel radioactif. Elle représente environ un tiers de l’irradiation reçue et augmente dans les régions granitiques.

Toutes les familles naturelles ont dans leur chaîne de désintégration un isotope du radon (²²²Rn engendré par le ²²⁶Ra, et le ²²⁰Rn appelé également thoron, engendré par le ²²⁴Ra). Ces gaz émanent du sol, des eaux et des matériaux de construction. Les valeurs moyennes des concentrations ont été évaluées à 2 Bq/m³ en plein air et 20 Bq/m³ dans les habitations pour le plus important d’entre eux : le ²²²Rn. Ces gaz et leurs descendants solides irradient les poumons.

Le potassium étant un élément important de notre constitution et vital au bon fonctionnement de nos cellules (environ 165 g par personne), l’isotope ⁴⁰K de cet élément contribue à une activité intérieure constante d'environ 5 000 Bq, auxquels viennent s'ajouter une part similaire due à l'activité de l'ensemble des autres isotopes instables de notre corps.

Exemple : radioactivité de différents milieux naturels

• Eau de pluie : 0,3 à 1 Bq/L
• Eau de rivière : 0,07 Bq/L (²²⁶Ra et descendants) ; 0,07 Bq/L (⁴⁰K) ; 11 Bq/L (³H)
• Eau de mer : 14 Bq/L (⁴⁰K essentiellement)
• Eau minérale : 1 à 2 Bq/L (²²⁶Ra, ²²²Rn)
• Lait : 60 Bq/L
• Sol sédimentaire : 400 Bq/kg
• Sol granitique : 8 000 Bq/kg
• Corps humain : 8 000 à 10 000 Bq (dont 5 000 dus au ⁴⁰K).

Le tableau suivant résume la contribution des diverses composantes de la radioactivité naturelle. Il faut toutefois se souvenir que ce sont des valeurs moyennes susceptibles de variations importantes en fonction de l’altitude, de la latitude et de la composition du sous-sol.

Source naturelle	Exposition (mSv/an)
Rayonnement cosmique	0,3
Rayonnement tellurique	0,32
Isotopes cosmiques	0,01
40K	0,17
222Rn + descendants	0,55
220Rn + descendants	0,15
Divers	0,06
Total	1,56

L'exposition artificielle

Pour chaque habitant, l’exposition annuelle moyenne aux sources artificielles d’irradiation est d’environ 1 mSv. Celles-ci sont principalement les irradiations médicales et les applications industrielles des rayonnements.

Les centrales nucléaires, les usines de traitement du combustible nucléaire usé, les retombées des anciens essais nucléaires atmosphériques et de la catastrophe de Tchernobyl, etc., exposent chaque homme en moyenne à 0,002 mSv par an.

Les irradiations médicales

Il s’agit principalement des radiographies médicales et dentaires qui provoquent une irradiation externe proche de 1 mSv par an (moyenne en France).

L’essor du radiodiagnostic a été un des facteurs essentiels du progrès médical au cours du XX^e siècle. Les équivalents de dose délivrés par les différents types d’examens varient considérablement en fonction de la profondeur des organes étudiés et de la dimension du segment de l’organisme concerné. À côté des appareils classiques, sont apparus progressivement des appareils plus perfectionnés (« scanners ») qui, associés à des ordinateurs, permettent de réaliser des images en coupe (tomographies) de l’organisme.

Doses délivrées lors des examens les plus courants en radiodiagnostic

Examen médical	Dose (mGy)
Radiographie pulmonaire	0,7
Radiographie du crâne	2
Radiographie de l’abdomen	3
Scanner du crâne	27
Urographie	20
Scanner du corps entier	160
Transit œsogastroduodénal	90

La radiothérapie externe est un des traitements de base des cancers. On utilise généralement des rayonnements de haute énergie émis par des sources de cobalt radioactif ⁶⁰Co ou par des accélérateurs de particules. Dans certains traitements dits de curiethérapie, un corps radioactif est placé, soit au contact immédiat des tissus à irradier, soit implanté sous forme d’aiguilles radioactives (iridium, césium). Les doses classiquement administrées sont élevées (40 à 80 Gy) et espacées dans le temps pour permettre aux tissus sains de se régénérer. Les techniques d'implantation définitive de grains radioactifs (iode, palladium) sont en expansion.

La médecine nucléaire utilise des isotopes radioactifs pour l’exploration de l’organisme humain. Elle consiste à injecter un isotope radioactif qui se fixe dans la partie à explorer et de réaliser une image à l’aide d’une caméra à scintillation (scintigraphie).

Les isotopes utilisés sont l'iode 131 (¹³¹I) pour l’exploration fonctionnelle de la thyroïde et surtout le technétium 99m (^99mTc) dont l’intérêt est sa courte période radioactive (T = 6,02 h) ce qui minimise les équivalents de dose administrés. Il peut être obtenu à partir de molybdène ^99mMo par un appareil à élution.

L'exploration fonctionnelle d'organes tels que le cerveau utilise la tomographie à émission de positons. L'isotope utilisé est souvent le ¹⁸F, (de période 2 h) injecté sous une forme liée à un sucre : l'activité cérébrale consomme du glucose et les zones les plus actives lors d'une tâche cognitive seront visualisées par une gamma-caméra.

Équivalents de dose après injection de ^99mTc pour différentes explorations

Exploration	Équivalent de dose (mSv/mCi)
Vessie	0,85
Estomac	0,51
Intestin	2,3
Thyroïde	1,3
Ovaires	0,3
Testicules	0,09
Moelle osseuse	0,17
Corps entier	0,11

Les méthodes de mesure industrielles

Du fait de leur forte profondeur de pénétration et de leurs interactions avec la matière, les rayonnements ionisants sont utilisés pour effectuer des mesures.

Gammagraphie

Cette technique de radiographie industrielle utilise une source de rayonnements gamma. Elle consiste à placer la pièce à radiographier entre la source de rayonnements et un film photographique contenu dans une cassette souple ou rigide. Après un temps d’exposition dépendant de la nature et de l’épaisseur du matériau radiographié, le film est développé et révèle les défauts existant éventuellement à l’intérieur de la pièce. Les domaines d’utilisation sont nombreux (chaudronnerie, fonderie, industrie du pétrole, construction navale et aéronautique).

Radioéléments utilisés :

• ⁶⁰Co : émetteur gamma d’énergies de 1,17 et 1,33 MeV (15 % des appareils) ;
• ¹⁹²Ir : émetteur gamma d’énergies comprises entre 200 et 600 keV (80 % des appareils).

Types d’appareils :

• les appareils portatifs sont les plus répandus. Ils contiennent des sources de 2 à 5 TBq de ¹⁹²Ir. Ils ont été à l’origine de plusieurs accidents (blocage de la source en position d’irradiation, perte de la source) ;
• les appareils fixes équipés de source de ⁶⁰Co de plusieurs centaines de TBq sont réservés au contrôle de fortes épaisseurs. Ils sont généralement installés dans des casemates de tir.

Radiographie X

Son principe est le même que pour la gammagraphie, la source de photons étant remplacée par un générateur de rayons X, tube à rayons X ou accélérateur. Les différences de potentiel utilisées vont de 20 keV à plusieurs MeV. Ces sources de rayonnement utilisent le rayonnement de freinage (Bremsstrahlung). Ce type de technologie est par exemple utilisé pour l'inspection des bagages dans les aéroports.

Neutronographie

Le principe de la neutronographie est similaire à celui de la radiographie X et lui est complémentaire. Elle peut être effectuée grâce à un faisceau neutronique issu d’un réacteur, d'un accélérateur d'ions ou d’une source de ²⁵²Cf (émetteur de neutrons). Elle est notamment utilisée pour le contrôle de matériaux hydrogénés situés à l'intérieur d'enceintes métalliques.

Spectrométrie et diffractométrie

Voir les articles spectrométrie gamma, Spectrométrie de fluorescence X et Diffractométrie de rayons X.

Jauges

Le principe des jauges est basé sur la loi de l’atténuation des rayonnements (loi de Beer-Lambert).

On distingue :

• jauges de niveau : elles indiquent la présence ou l’absence de matériau sur le trajet horizontal du faisceau (source et détecteur placé de part et d’autre du matériau). Les sources utilisées sont des émetteurs bêta ou gamma selon l’épaisseur et la densité du matériau à mesurer. Elles sont utilisées pour le contrôle des réservoirs de liquides, des silos (sable, grains, ciment, etc.) ;
• jauges d’épaisseur : si le matériau est de densité constante, l’intensité du signal reçu par le détecteur sera fonction de l’épaisseur de celui-ci. Elles sont utilisées pour la mesure en continu de produits en feuilles : papiers, tissus, caoutchouc, etc.

Applications reposant sur le principe d’ionisation des gaz

• Élimination de l’électricité statique : l’utilisation de sources de ²⁴¹Am (émetteur gamma), sous forme de rubans placés en fin de machines de production de papiers, plastiques, textiles synthétiques, etc. à quelques millimètres du matériau permet en rendant l’air avoisinant conducteur, de supprimer l’accumulation d’électricité statique.
• Détecteur de fumée : deux chambres d’ionisation sont disposées en série : l’une servant de témoin, l’autre, grillagée, en contact avec l’air ambiant. Dans chacune de ces chambres, une petite source de quelques kBq de ²⁴¹Am donne naissance à un courant constant. Si des particules de fumée pénètrent dans la chambre ouverte, elles entraînent une variation du courant qui déclenche un signal d’alarme. On dénombre en France 3 millions et demi de détecteurs de fumée basés sur ce principe.
• Traceurs radioactifs industriels : le principe du traçage est le marquage de quelques individus d’une population ; il permet l’étude du comportement global de cette population. Les traceurs radioactifs sont particulièrement performants car ils marquent l’entité élémentaire qu’est l’atome et permettent une détection facile.

Exemples d'utilisation :

• marquage d’un liquide ou d’un gaz par un émetteur gamma permettant la recherche de fuites sur des canalisations ;
• marquage d’une pièce de moteur permettant grâce à la mesure de la radioactivité de l’huile de graissage d’évaluer l’usure des constituants.

Destruction de germes par irradiation

Radioconservation des denrées alimentaires

Actuellement en plein essor, la radioconservation des denrées alimentaires utilise le rayonnement gamma du ⁶⁰Co ou des électrons accélérés. Elle n’induit aucune radioactivité au sein des aliments. Elle a pour effet :

• augmentation de la durée de conservation des aliments par le ralentissement de la maturation, de la germination, par réduction du nombre de microorganismes responsables de détériorations ;
• élimination des insectes nuisibles dans les denrées stockées (céréales, farines, fruits, poissons séchés) ;
• assainissement bactérien par destruction de microorganismes pathogènes (volailles, œufs).

Les doses utilisées sont de l’ordre de 10² à 10⁴ Gy.

Stérilisation

La radiostérilisation du matériel médico-chirurgical par rayonnement gamma (25 kGy) peut s’effectuer sur le matériel déjà placé dans son emballage définitif.

Production d'électricité

Les centrales nucléaires ne constituent qu'un élément de la production d'électricité. Celle-ci comporte trois stades :

• préparation des éléments combustibles ;
• fonctionnement des centrales ;
• traitement du combustible.

Préparation du combustible

Elle se fait en plusieurs étapes :

• extraction du minerai d'uranium ;
• concentration et raffinage ;
• transformation afin d'obtenir des sels d'uranium (uranate, nitrate d'uranyle) ;
• enrichissement en ²³⁵U par diffusion gazeuse après transformation en hexafluorure d'uranium (UF₆) gazeux ;
• fabrication des éléments combustibles.

Ces opérations se font en milieu contrôlé et n'entraînent normalement pas d'exposition pour les personnes, sauf accident. Pour les travailleurs, la phase la plus critique est l'extraction du minerai qui entraîne une exposition interne par inhalation de poussières et de ²²²Rn.

Fonctionnement des centrales nucléaires

• Produits de fission : la fission nucléaire, véritable explosion du noyau, donne naissance à :
  • des fragments de fission (généralement 2) ;
  • des neutrons (2 ou 3) ;
  • de l'énergie (200 MeV en moyenne).

Les produits de fission sont pour la plupart radioactifs, émetteurs bêta ou gamma.

• Produits d'activation : l'action des neutrons sur les matériaux de gainage du combustible, les impuretés des fluides de refroidissement et les divers éléments de structure donne naissance à des produits d'activation radioactifs de nature et de période diverses. Un réacteur fonctionne en circuit fermé, mais le fluide du circuit primaire est contaminé par les produits d'activation et des produits de fission échappés des gaines métalliques contenant l'uranium et dont certaines peuvent devenir défectueuses. Les purges, vidanges et opérations de maintenance produisent des effluents gazeux (gaz rares, iodes) et liquides qui sont dispersés dans l'environnement directement ou après traitement, mais de toute façon de manière strictement contrôlée.

Traitement du combustible nucléaire usé

Environ chaque année, un tiers du combustible est retiré du cœur du réacteur et traité après une durée de décroissance de plusieurs années. Ce traitement est destiné à réduire le volume, récupérer des matières réutilisables (plutonium, uranium 235). Pour ce faire, les gaines sont cisaillées, le combustible dissout dans l'acide nitrique puis traité par différents solvants. Ces opérations libèrent une certaine quantité d'effluents gazeux et liquides.

Conclusion

Pour conclure, il semble intéressant de présenter une vue synthétique des principales sources d'exposition de l'homme avec les équivalents de dose correspondants. Il ne faut pas perdre de vue qu'il s'agit de valeurs moyennes et que certains groupes d'individus (tels les travailleurs de l'énergie nucléaire et les populations habitant dans certaines régions) sont exposés à des équivalents de dose plus importants.

Inventaire général des engagements de dose (mSv/an) pour un individu moyen

Radioactivité	Exposition interne	Exposition totale
Radioactivité naturelle	0,94	1,64
Irradiation à des fins médicales	0,015	0,8
Essais nucléaires	0,02	0,04
Énergie d’origine nucléaire	0,015	0,02
Total	0,99	2,5

Références