La radioactivité naturelle 15


Il y a encore 150 ans, les scientifiques emmenés par Lord Kelvin pensaient que la Terre se refroidissait depuis 400 millions d’années au grand maximum [1]. La dérive des continents était inimaginable car la croûte terrestre devait s’être solidifiée sur une très grande épaisseur, peut-être en formant les immenses cavernes décrites dans le « Voyage au centre de la Terre » de Jules Verne.

Un siècle plus tard, nous savons que si la Terre a toujours des volcans, de fins continents qui dérivent sur un manteau visqueux et des montagnes qui poussent après 4.5 milliards d’années d’existence, c’est parce que la désintégration d’éléments radioactifs la réchauffent de l’intérieur [2]. On estime actuellement la puissance de ce chauffage nucléaire naturel à environ 24 terawatts [3], soit l’équivalent de 24’000 centrales nucléaires humaines, ou deux fois la consommation humaine totale d’énergie* si vous préférez.

2013-11-03_134309Cette chaleur est produite par les chaines de désintégration de l'uranium 238, du thorium 232 et du potassium 40, et dans une toute petite mesure de l'uranium 235. On appelle ces radioisotopes « primordiaux » car ils existent depuis la formation de la Terre, et même depuis bien avant car ils ont été formés dans les supernova qui ont fabriqué les éléments lourds du système solaire. S’ils sont encore relativement abondants, c’est grâce à leur période (ou demi-vie) de l’ordre du milliard d’années qui fait qu’ils sont relativement peu radioactifs. En se désintégrant, les primordiaux fabriquent d’autres radio-isotopes « descendants » de durée de vie plus courte, donc plus radioactifs. Les plus connus et abondants sont le radium et le radon, un gaz dont nous reparlerons plus bas.

D’autre part, il existe dans la nature des radio-isotopes « cosmogéniques », produits par l’interaction de rayons cosmiques avec d’innocents atomes qui se trouvaient sur leur trajectoires. Le plus connu est le carbone 14 utilisé pour la datation. Comme le carbone 14 est produit en continu mais se désintègre au fur et à mesure, il se trouve en (quasi) équilibre séculaire : un atome de carbone sur 1012 environ est du 14C. Pendant sa vie, un organisme quel qu’il soit ingère, absorbe ou photosynthèse du carbone avec cette proportion de carbone 14. Après sa mort, les atomes de carbone 14 de ses restes se désintègrent, et au bout de 5730 ans environ il n’en reste plus que la moitié. Avec un bon spectromètre de masse, on peut ainsi déterminer la date du décès avec une bonne précision jusque vers -35’000 ans.

Un autre radio-isotope cosmogénique intéressant est le tritium, l’isotope 3H de l’hydrogène. Les rayons cosmiques en produisent environ 0.2 Kg/an sur toute la Terre, mais la moitié se désintègre en 12.32 ans ce qui fait que l’équilibre séculaire n’en laisse que 3.5 Kg en tout et pour tout sur toute la Terre, dilué à raison d’un atome de tritium pour 1018 atomes d’hydrogène. Ca n’est vraiment pas assez pour pouvoir l’extraire et l’utiliser, mais ça fait tout de même 67 millions d’atomes radioactifs dans chaque litre d’eau ordinaire**.

Nous vivons donc dans un monde naturellement radioactif : le sol, l’air, l’eau, tout notre environnement contient des quantités non négligeables d’éléments radioactifs dont on n’avait à peu près aucune idée il y a un siècle.

Pour quantifier le phénomène, il existe plusieurs unités différentes, et les mesures peuvent varier sur beaucoup d’ordres de grandeur, donc il faut faire attention à ne pas s’emmêler les pinceaux en sachant bien de quoi on parle sinon on peut paniquer pour rien, ou faire paniquer ceux qui n’y connaissent rien, au choix.


Le Becquerel [Bq] mesure un nombre de désintégrations d’atomes par seconde. C’est tout. Il n’intègre ni le type de ces événements, ni la quantité de matière dans laquelle on mesure les désintégrations, ni même la manière de mesurer. Par exemple l’activité de l’uranium naturel est de 25’000 [Bq/g] : dans un gramme, 25’000 atomes se désintègrent chaque seconde. Mais si vous faites l’expérience assez longtemps, vous allez en mesurer 3 fois plus, voire 7 fois sous une cloche***. Pourquoi ?  Parce que vous allez aussi mesurer l’activité des produits de désintégration de votre uranium, y compris le gaz radon si vous l’empêchez de se disperser dans l’atmosphère. Or le radon 222 a une activité de 5,73×1015[Bq/g], 230 milliards de fois plus que l’uranium qui lui a donné naissance car sa demi-vie n’est que de 3.82 jours.
Pour ne rien simplifier, certains utilisent encore l’ancien Curie_(unité)|Curie]] [Ci] à la place du Becquerel, surtout pour de fortes radioactivités.

Le Gray [Gy] remplace l’ancienne unité Rad et mesure la « dose absorbée » par irradiation, qui est une énergie par masse [J/kg]. Avec les Gray, peut importe la cause du rayonnement : 1 milliGray de rayons X est égal à 1 milliGray de particules alpha produites par la désintégration du radon par exemple.

Enfin, le Sievert [Sv] mesure la « dose équivalente » (anciennement mesurée en Röntgen equivalent man [rem] ), qui tient compte de l’effet des divers types de rayonnements sur les êtres vivants, l’humain en particulier. Les Sievert sont des Gray pondérés par des facteurs définis par la CIPR, qui valent:

les plus néfastes ne sont pas ceux qu’on croit

Ca peut surprendre si on se rappelle qu’une particule alpha (qui est un noyau d’hélium) est stoppée par une bête feuille de papier, que les bêta s’arrêtent contre une feuille métallique (parce que ce sont des électrons ou des positrons, chargés électriquement) alors que les X et les gamma traversent tout sauf une épaisse couche de blindage.

Justement : nous ne sommes pas une épaisse couche de blindage, ni métalliques : les X et gamma nous traversent facilement, en interagissant peu. C’est ce qui permet de faire des radiographies entre autres. Quant aux neutrons, ils sont principalement produits sur Terre artificiellement, en particulier dans la réaction en chaîne de l’uranium 235. Les rayons cosmiques peuvent également produire des neutrons, qui contribuent un peu à la radioactivité naturelle (****).

Par contre les alpha, on se les prend en plein dans la viande, et leur énergie peut faire des dégâts à notre ADN en particulier, avec risques de cancers supplémentaires à la clé. Or une bonne moitié de désintégrations de radio-isotopes produisent des alpha, et si ces isotopes se retrouvent à l’intérieur de notre corps, la possibilité d’être atteint par le rayonnement devient une certitude.

Finalement, la « dose équivalente » de radioactivité naturelle annuelle reçue par un français moyen est de 2.4 milliSievert [mSv], décomposée comme suit [4]:

  • 0.6 [mSv] reçus de la désintégration des radio-isotopes primordiaux dans le sol
  • 0.4 [mSv] reçus par les rayons cosmiques. Pour un pilote professionnel, ce poste peut augmenter à plus de 5 [mSv]
  • 0.2 [mSv] de potassium 40 et de carbone 14 ingérés par les aliments, qui représentent à eux deux 8000 Bequerels des 8500 typiquement mesurés sur un humain de 70 kg. Mais ces éléments produisent des rayons beta peu nocifs
  • Plus de la moitié de la dose moyenne soit 1.3 [mSv] provient de l’inhalation de radon et de sa rapide désintégration dans les poumons. Cette valeur correspond à respirer de l’air en permanence de l’air contenant 65 [Bq/m³] de radon, or il existe des régions dans lesquelles l’air de maisons mal ventilées en contient 1000 [Bq/m³] voire plus, ce qui amènerait la dose équivalente d’un habitant casanier au delà des 20 [mSv/an] considérés comme maximum acceptable.
    Il est établi que le radon provoque des cancers du poumon chez les mineurs, d’uranium en particulier, mais aussi de charbon, et il est fortement suspecté que le radon présent dans les habitations augmente également le risque de cancer du poumon, surtout en conjonction avec le tabagisme.
    Donc si vous habitez dans une région particulièrement exposée au radon (voir cette carte interactive pour la Suisse) et dans une maison ancienne et mal ventilée, arrêtez de fumer. Et ventilez votre maison. Si vous êtes vraiment inquiets, faites en mesurer l’air, dont l’activité ne devrait pas dépasser 400 Bq/m³ (ou 150, ou 1000 selon les pays).

En Europe, la dose équivalente moyenne varie d’un facteur 10 principalement en raison du radon [5]

Outre les régions exposée au radon et les mines d’uranium, il existe d’autres endroits où la radioactivité naturelle est particulièrement élevée, et intéressante.

A Ramsar en Iran, la dose équivalente moyenne est de 260 [mSv/an], beaucoup plus que ce que permet n’importe quelle norme d’exposition de la population civile. Cette radioactivité provient pour beaucoup du radium dissous dans les eaux thermales de la ville. Or le taux de cancer des habitants de Ramsar n’est pas significativement différent de celui de populations vivant à des endroits moins exposés  [6]. D’autres études sont parvenues au mêmes conclusions à propos de Yangjiang en Chine, de la province du Kerala en Inde (riche en minerai de thorium) et de Guarapari au Brésil où les niveaux de radioactivité naturelle sont aussi beaucoup plus élevées que la norme. Selon ces chercheurs, les populations vivant dans ces régions auraient développé une résistance biologique aux radiations, mais ce sujet est encore controversé, tout comme l’est d’ailleurs celui des faibles doses d’irradiation en général.

Le cas de radioactivité naturelle le plus extrême est sans doute celui d'Oklo au Gabon. Des particularités dans la composition de l’uranium extrait des mines là bas ont révélé que plusieurs réacteurs nucléaire naturels y ont fonctionné pendant quelques centaines de milliers d’années, il y a environ 2 milliards d’années ! Ils ont consommé environ 6 tonnes d’uranium 235 dans une réaction en chaîne stabilisée par de l’eau, comme dans les réacteurs artificiels. Ensuite, les produits de fission sont restés sur place tout ce temps, ce qui est assez intéressant à étudier du point de vue de la gestion des déchets nucléaires.

Voilà, je voulais essayer de parler de nucléaire de manière totalement objective et dépassionnée en ne traitant que de radioactivité naturelle. C’est réussi ? Bon alors je termine en disant que ces points de repères devraient vous permettre de juger de manière critique certains chiffres concernant le nucléaire artificiel, comme la fuite de tritium de Fukushima dans l’océan …

Notes:

*  de puissance continue plutôt, la consommation d’énergie étant d’environ 118’000 TWh/an

**  Vous prenez du tritium à 9 CH chaque fois que vous buvez de l’eau, ce qui prouve l’efficacité du tritium homéopathique contre la soif…

*** en fait je ne sais pas vraiment comment on mesure des [Bq]. J’imagine que c’est avec des versions modernes du bon vieux compteur Geiger, comme le compteur proportionnel à gaz. Quelqu’un sait ?

**** phrase corrigée après le commentaire du Dr. Eric Simon

Références:

  1. P. England, P. Molnar, and F. Richter, « Kelvin, Perry et l’âge de la Terre« , 2008, Pour la Science no. 364
  2. Pascal Richet « La radioactivité, le soleil, la terre et la mort de Kelvin » , 1996, La Recherche n° 291 , page 78
  3. « La chaleur radioactive de la Terre chiffrée« , 2011, Actualité Pour La Science
  4. La radioactivité naturelle en 10 épisodes, Société Française de Radioprotection (très bonne synthèse illustrée)
  5. « Naturally-Occurring Radioactive Materials (NORM) » World Nuclear Association
  6. Ghiassi-nejad, M;  Mortazavi, S M J;  Cameron, J R;  Niroomand-rad, A;  Karam, P A « Very high background radiation areas of Ramsar, Iran: preliminary biological studies. » (2002) Health physics vol. 82 (1) p. 87-93

Autres sources:

  • Dr Eric Simon

    bonjour,

    Pour répondre à la question de savoir comment on mesure l’activité d’un isotope (les Becquerels), effectivement, on utilise des compteurs ou des spectromètres. On obtient un taux de comptage, mesure à laquelle on doit associer la connaissance de la géométrie de la mesure (distribution spatiale et distance entre émetteur radioactif et détecteur) pour déduire le nombre de gamma émis (l’activité) d’après le nombre de gammas détectés (le taux de comptage)…
    J’apporte également une petite précision : les neutrons font également partie du rayonnement naturellement présent, il sont produits de manière secondaire par des interactions des muons cosmiques qui vont produire des réactions de spallation principalement sur les éléments à numéro atomique élevé. Le carbone 14 est par exemple produit non pas directement par les muons cosmiques mais par ces neutrons secondaires par réaction (n,p) sur l’azote 14 atmosphérique.

    • http://drgoulu.com/ Dr. Goulu

      Merci beaucoup pour ces précisions ! Et effectivement, je n’ai pas pensé aux neutrons « cosmogéniques » alors pourtant que j’avais vu la réaction produisant le carbone 14. Je corrige la phrase de l’article…

  • Proteos

    Ce qui est marrant avec la carte, c’est qu’elle montre qu’on devrait penser à évacuer quelques villes espagnoles (Leon, Burgos?) pour protéger les gens. Et puis peut-être aussi Lyon et Stockholm.

    • http://drgoulu.com/ Dr. Goulu

      Pourquoi donc ? A ma connaissance il n’y a pas de norme sur l’exposition à la radioactivité naturelle. Il y a une limite de 1 mSv/an pour l’exposition de la population civile au nucléaire artificiel, poussée à 20 mSv pour les professionnels du nucléaire.

      • Proteos

        Bah, justement, il n’y a pas vraiment de différence entre radioactivité « naturelle » et « artificielle ». La dangerosité dépend surtout de l’élément chimique considéré. L’iode 131 est dangereuse du fait de son accumulation dans un organe précis et sa courte demi-vie.

        Dans le cas « artificiel », il y a évacuation, dans l’autre … rien. Le fait est qu’il est difficile d’aller dire à des gens de ne plus rentrer chez eux alors que rien n’a véritablement changé et des villes sont bâties par hasard sur des endroits qui se révèlent nettement plus radioactifs que la moyenne. Par contre, en situation d’accident, il y a évacuation de longue durée, alors qu’une fois l’iode 131 disparue, le risque n’est pas plus important que dans ces zones un peu spéciales à forte radioactivité naturelle. Si les règles étaient un peu logiques, on devrait évacuer tous les endroits les plus radioactifs sur terre quelqu’en soit la cause et virer les gens de leur maison pleine de radon.

        Inversement, il n’y a pas non plus d’évacuation en cas de smog par exemple, alors que les effets à court terme sur la santé sont bien pires.

    • Zamm

      Pourquoi évacuer ? C’est une radiation certifiée 100% bio et renouvelable, contrairement à la méchante variante artificielle ;-)

      Plus sérieusement : la plupart des zones affectées le sont à cause du radon, et il y a des contre-mesures efficaces et d’ailleurs recommandées (étanchéité au niveau de la cave et ventilation). A ce sujet, les doses dues au radon ne sont « basses » que relativement au corps. Pour les poumons, les tissus les plus affectés, ces doses sont en fait plutôt élevées, possiblement > 100 mSv/an :
      http://aarst.org/news_pdf/Radon_Doses_to_Organs.pdf

  • Xochipilli

    Super intéressant, mais j’ai la flemme d’aller voir quelles sont les doses libérées dans l’océan et de façon plus générale les doses à proximité des différents accidents nucléaires. Tu veux pas nous faire la démonstration jusqu’au bout, dis Dr Goulu? ;-)

    • Papimichel

      Xochipilli, ben voyons… Vous demandez la conclusion au Dr Goulu…
      Vous n’avez donc pas compris ? Fukushima balance son tritium dans l’océan tandis que Tricastin balance le sien dans le Rhône. Vous n’habitez pas au bord du Rhône ni au Japon, je suppose. Mais si toutefois vous êtes inquiet, écoutez le directeur de la centrale EDF du Tricastin : « Il n’y a aucun impact sur
      l’environnement » vient-il de déclarer à l’AFP. Même appel au calme de la part du Dr Goulu dans cet article. N’aillez donc pas peur du nucléaire ! Par contre si vous voulez comprendre, alors bon courage. Pas question d’avoir la flemme. Écoutez évidemment les experts d’EDF, d’AREVA… mais aussi ceux de la CRIIRAD, écoutez le réseau Sortir du nucléaire, revenez sur les rapports de l’ASN au sujet du tritium… Vous avez déjà là de quoi vous occuper. Certes vous risquez fort d’être un peu pommé avec tous ces avis divergents émanant d’experts dont il serait déjà difficile, comme toujours, de faire la part entre leur compétence, leur objectivité et leurs intérêts. Bref, puisque vous avez la flemme, continuez donc à croire ce qui vous arrange. C’est de toute façon que nous faisons tous en général.

      • http://drgoulu.com/ Dr. Goulu

        On ne croit rien, on vérifie en calculant.

        Le tritium se désintègre une seul fois en lâchant un beta- à 5.7 keV, donc entre 100 et 1000x moins d’énergie que les isotopes résultant de la fission de l’uranium comme l’iode, le cesium etc.

        En plus, l’eau est un excellent bouclier ( voir http://what-if.xkcd.com/29/ avec le récit d’un accident de plongée dans un réacteur suisse…)

        Pour en savoir plus sur l’eau contaminée au tritium lisez https://fr.wikipedia.org/wiki/Eau_triti%C3%A9e#Eau_contamin.C3.A9e_au_tritium

        Si vous préférez la polémique c’est là : http://www.forbes.com/sites/timworstall/2013/09/04/solving-the-fukushima-radioactivity-problem-dump-it-all-into-the-ocean/ :

        So we have 8,125,370,000 trillion becquerels of radiation in the pacific ocean, but when the fifth most powerful earthquake ever recorded results in 20 trillion becquerels of radiation being released into the oceans over two years we’re supposed to all accept that it’s a horrible disaster.

        Mais pas de réponse à ce sujet ici : mon article traite uniquement de radioactivité NATURELLE. Merci.

  • http://drgoulu.com/ Dr. Goulu

    je cherchais un exemple de radioactivité alpha dangereuse, on vient d’en trouver dans la tombe d’Arafat : le polonium 210. Il se trouve dans la chaine de désintégration naturelle de l’uranium 238 (mais on le produit à partir du Bismuth pour aller plus vite…) et « Un seul gramme de 210Po pur est donc le siège de 1,66×1014 désintégrations par seconde, et émet donc autant de particules α que 4,5 kg de radium 226 ou 13,5 tonnes d’uranium 238″ …

    • Bellimot

      Bonjour,

      J’aime bien tes articles car ce sont des articles de fond et documentés, pas comme certains qui racontent n’importe quoi.

      Je me permet de te soumettre une idée d’article sur un sujet qui me tient à coeur : les supercondensateurs.

      Ce dispositif de stockage de l’électricité semble très prometteur, mais beaucoup d’âneries sont écrites à ce sujet.

      Voir cet article qui dénonce ces mensonges :

      http://www.supercondensateur.com/supercondensateur-silicium-graphene-pas-si-performant

      • http://drgoulu.com/ Dr. Goulu

        Merci, les compliments font toujours plaisir :-)

        Et merci pour le lien sur les supercondensateurs, très intéressant. J’ai écrit l’an passé un article général sur comment stocker l’énergie, mais c’est vrai que les technologies « électrochimiques » mériteraient d’êtres suivies de près tant elles sont importantes et évoluent vite. J’ajoute la proposition à la longue liste des « todos »…

    • jmdesp

      Mais même pour le polonium 210, la dangerosité est une fonction de la dose. On retrouve du polonium 210 à faible dose dans l’alimentation, en particulier les fruits de mer, les Japonais qui en sont de grands consommateurs se retrouvent exposé de ce fait à une dose qui atteint presque les 1 mSv, cf http://ci.nii.ac.jp/naid/110007226760/en « Evaluation for Committed Effective Dose Due to Dietary Foods by the Intake for Japanese Adults ».