Les déchets radioactifs et leurs effets biologiques

        I] Qu'est-ce qu'un déchet radioactif ? Quels sont les effets biologiques de la radioactivité ?

            A] Définition de déchet radioactif.

    Toute activité humaine produit des déchets. L'utilisation des propriétés de la radioactivité dans de nombreux secteurs engendre par conséquent une quantité considérable de déchets radioactifs, présentants des risques pour l'homme et l'environnement. Ce sont des substances dont aucun usage n’est prévu et dont le niveau de radioactivité ne permet pas la décharge sans contrôle dans l’environnement. A ce titre, ils doivent être gérés de manière spécifique en fonction de leur niveau de radioactivité et de leur durée de vie.

            1) Les différentes désintégrations

    Le terme « radioactif » signifie que les atomes constituant les déchets sont instables et vont se transformer pour se stabiliser, en émettant un rayonnement. Il existe ainsi quatre types de rayonnements, appelés aussi désintégrations :

  -La désintégration alpha α fait perdre à un atome deux protons et deux neutrons (soit un noyau d’hélium). Elle est peu énergétique et une feuille de papier suffit à arrêter ce rayonnement.
Exemples : Désintégration α de l’uranium en thorium: 238U → 234Th + 4He.
Désintégration α du Radium en Radon : 226Ra → 222Rn + 4He

Alpha

Schéma de la désintégrtion α du radium en radon

  -La désintégration bêta β transforme un nucléon (proton ou neutron) en un autre accompagné d’une particule bêta (électron ou positron). Si un neutron de transforme en un proton et un électron, on parle de désintégration bêta moins, alors que si un proton se transforme en un neutron et un positron, on parle de désintégration bêta plus.
Exemples :Désintégration β+ du fluor en oxygène : 18F à 18O + e+
Désintégration β- du cobalt en ion nickel : 60Co à 60Ni+ + e-

Schéma de la désintégration β- du colbat en ion nickel

  -La désintégration gamma γ est un rayonnement électromagnétique du à un trop plein d’énergie dans certains atomes après une désintégration α ou β. Ceux-ci s’en débarrassent en émettant des rayons gamma, de même nature que les rayons X. Ils sont beaucoup plus dangereux car plus pénétrant que les autres rayonnements. En effet, ils peuvent parcourir des dizaines, voire des centaines de mètres et il faut plusieurs décimètres de béton pour arrêter ces rayonnements. Ce n’est pas, à proprement parler, une désintégration mais plutôt une émission de photons pour évacuer le trop plein d’énergie accumulé pendant les désintégrations α et β.

 

gamma

Schéma d'une désintégration γ

 

Bilan rayonnements

Schéma bilan de la dangerosité des différents rayonnements

            2) Mesure de la radioactivité

    La radioactivité se mesure en Becquerel (Bq). 1 Bq correspond à une désintégration d’un noyau radioactif par seconde. Un humain de 70 kg a une radioactivité de 8 000 Bq, alors que les déchets nucléaires tels que le plutonium 239 ont une radioactivité de 2,3 GBq/g.

    La quantité ou dose d’énergie absorbée par kilogramme de matière exposée se mesure en Gray (Gy). C’est une unité dérivée du système international qui correspond à un joule par kilogramme. Le type de rayonnement ainsi que la dose absorbée sont donc pris en compte.

    L’impact de la radioactivité sur la santé humain se mesure quant à lui en Sievert (Sv). C’est une unité très proche du Gray car elle se mesure également en joule par kilogramme. Seulement, un autre facteur est déterminant : la radiosensibilité des tissus irradiés.

Unités bilan

Schéma bilan pour comprendre les différentes unités

            3) Production de déchets radioactifs

    Le principal combustible nucléaire est composé d'uranium 238 et d'uranium 235. La teneur trop faible en uranium 235 (0,7 %) dans l'uranium naturel doit être portée à plus de 3 % pour alimenter les réacteurs. A la sortie, on retrouve des produits de fission du a la combustion de l’Uranium 235 : Deux atomes se repartissent 92 protons et 141.5 neutrons en moyenne (2.5 neutrons sont immédiatement consommés en moyenne).

    En France, environ 2 kg de déchets radioactifs sont produits par an et par habitant, alors que les déchets industriels représentent 2.500 kg par an et par habitant et les déchets ménagers 360 kg par an et par habitant. Les déchets nucléaires sont donc présents en plus petites quantités, néanmoins leur caractère dangereux nous oblige à les traiter avec beaucoup de prudence. En France, c’est L’ANDRA, un organisme crée en 1979 au sein du CEA (Comité de l’énergie atomique), qui contrôle la gestion des déchets issus de l’activité nucléaire. Cet organisme a ainsi classé ces déchets en plusieurs catégories définies selon le niveau de radiations et leur période. La période (aussi appelée demi-vie) correspond à la durée nécessaire au déchet pour que son activité radioactive diminue de moitié. La durée de ces demi-vies est extrêmement variable, allant de quelques millisecondes pour le Bohrium 262 à plusieurs milliards d’années pour le Thorium 232. L’ANDRA a donc défini 6 classes de déchets récapitulées dans le tableau ci-dessous :

tableau

    En France, on compte fin 2007 un peu plus de 1100000 m3 de déchets. Ils sont issus pour la plupart de l’industrie électronucléaire (62 %). Vient ensuite la recherche et la défense (17%). L’industrie non électronucléaire représente 3% de la production de déchets nucléaires et enfin le médical qui ne produit que 1 % du total. Ces proportions sont résumées dans le graphique ci-dessous :

Graph 1

    Les déchets sont pour la majorité (en volume) des déchets à vie courte et de faible activité : les déchets à très faible activité et les déchets à vie courte représentent à eux seuls prés de 80 % du volume total . A l’inverse, les déchets de haute activité ne représentent que 0.2 % du volume total de déchets (illustration 2). Cependant, la balance s’inverse si les représente proportionnellement à leur degré de radioactivité : les déchets à haute activité représentent ainsi la quasi-totalité de la radioactivité totale (près de 95 %), comme le montre l’illustration 3.

Graph 2

Graph 3

            B. Les effets biologiques de la radioactivité.

    La radioactivité est utilisée dans beaucoup de domaines, tels que la production d’énergie nucléaire. Le monde scientifique est d’accord pour affirmer qu’elle est dangereuse pour l’homme. Quels sont les effets de la radioactivité sur le corps humain ?

    Les effets biologiques de la radioactivité sont exprimés en Sievert (Sv). Cette unité est calculée à partir de la nature du rayonnement, de la dose absorbée par l’organisme ainsi que de la radiosensibilité des différents tissus irradiés. En effet, les rayonnements α, β et γ n’ont pas les mêmes effets sur les tissus et chaque tissu est plus ou moins radiosensible.

    Le principal effet biologique de la radioactivité sur un organisme est l’ionisation des tissus vivants. C’est une transformation des atomes présents dans les tissus vivants en ions chargés. Elle advient lorsqu’un rayonnement radioactif traverse les tissus. En effet les rayonnements alpha, bêta et gamma sont très dangereux pour les tissus : lorsqu’ils en traversent un, ils « arrachent » un ou plusieurs électrons à ses atomes les changeant ainsi en ions, ce qui modifie l’activité chimique des cellules. Ces modifications peuvent altérer les membranes ou encore, plus inquiétant, l’ADN (Acide DésoxyriboNucléique), molécule qui porte toute l’information génétique d’un être vivant. Si elle est modifiée, les conséquences peuvent donc être très graves pour l’homme en entraînant par exemple des cancers. Notre organisme est prévu pour remédier à ces changements et bien souvent, il le fait automatiquement. Seulement, certains sont « oubliés » par exemple si le rayonnement a été trop intense et bref et dans ce cas là les effets sont visibles sous peu. Ainsi, Henri Becquerel, qui a découvert la radioactivité en 1896, observa un érythème (brûlure comparable à un coup de soleil) sur sa poitrine alors qu’il transportait en permanence un tube contenant des matières radioactives dans sa poche de veste. Un autre exemple significatif est celui de Marie Curie qui a manipulé des matières radioactives à mains nues pendant ses recherches et qui a fini sa vie avec les paumes brûlées. Les rayonnements radioactifs ionisants peuvent ainsi toucher directement ou indirectement la molécule d’ADN. Cependant les effets sont les mêmes dans les deux cas : les deux brins de l’ADN peuvent être séparés, déformés ou les liaisons entre eux altérées. Toutefois, ces problèmes sont souvent résolus automatiquement par notre organisme qui va réparer la molécule et dans ce cas-là, aucun effet n’est apparent. Si tel n’est pas le cas, les effets vont surtout dépendre de la dose reçue. En cas d’irradiations faibles ou moyennes, il n’y a presque aucun moyen de savoir les effets à l’avance, qui sont surtout dus au hasard. Mais il y a quand même des probabilités qui ont été établies : ce sont les effets probalistes. A l’inverse, si la dose est plus importante, des effets graves peuvent être observés, souvent prévus à l’avance : ce sont les effets déterministes.

Effets des rayons ionisants sur l'ADN

Schéma des effets des rayons ionisants sur l'ADN

            1) Les effets probalistes ou effets stochastiques.

    Si l’organisme reçoit des doses faibles ou moyennes, les effets qui vont s’en suivre sont très incertains et aléatoires: on ne peut faire que des conjectures ou des probabilités, d’où leur nom d’effets probalistes. De plus, lorsqu’un tel effet se manifeste, le patient croit souvent qu’il est attribué à autre chose que la radioactivité (tabagisme…) puisqu’il ne survient que très tardivement. Ainsi, personne ne sait si le cancer fatal à l’acteur John Wayne en 1979 est vraiment du à la radioactivité : il est vrai qu’il a tourné un film proche d’un site d’essais nucléaires 25 ans plus tôt, mais il fumait également plus de deux paquets de cigarettes par jour donc le doute persiste. Même aujourd’hui, avec des moyens beaucoup plus modernes que trente ans en arrière, ces effets ne sont quasiment jamais attribués à la radioactivité mais à d’autres causes comme le tabagisme, l’exposition aux ultra-violets… La plupart des effets stochastiques (probalistes) se manifestent sous la forme de cancers.

effets probalistes

Probabilités d'effets selon la dose reçue

            2) Les effets déterministes

    Les effets déterministes n’apparaissent que lors d’une exposition brève et intense, au-delà de 0.35 sievert. Cependant, ils sont différents si l’irradiation est localisée ou si l’organisme entier est irradié.

  -En cas d’irradiation localisée, les effets peuvent être immédiats ou retardés. Les effets immédiats se traduisent souvent par un érythème ou des brûlures telles que celles dont souffraient Henri Becquerel ou Marie Curie. Les effets retardés peuvent quant à eux entraîner une stérilité provisoire ou définitive ou encore une épilation définitive. Une irradiation de l’œil provoque également la formation d’une cataracte.

Echelles des effets d'une radiation localisée

Echelle des différents effets d'une irradiation localisée selon la dose reçue

  -Lorsqu’un organisme entier est irradié pendant une courte durée mais très intensément, on observe souvent un syndrome d’irradiation aiguë, qui est le plus grave symptôme du à la radioactivité. La mort du patient est souvent inéluctable ou si tel n’est pas le cas des effets très graves sont observables. Par exemple, sur les 238 sauveteurs qui sont intervenu à Tchernobyl, 31 sont mort en quelques jours.
Le syndrome d’irradiation aiguë est divisé en trois phases :
 -Phase prodromale : Elle est observée après une irradiation de plus de 1Sv et entraîne la destruction des globules blancs, rouges et des plaquettes présentes dans le sang. Cette phase est caractérisée par des malaises, des vomissements, des nausées, de l’anorexie…
 -Phase latente : On observe une régression voire la disparition des symptômes.
 -Phase des trois syndromes : Selon la dose reçue et la durée des phases latentes et prodromales, cette troisième phase est elle-même subdivisée en trois syndromes : le syndrome hématopoïétique, le syndrome gastro-intestinal et le syndrome neuro-vasculaire. Ils sont cités ici par ordre croissant de dangerosité. (Nous ne détaillerons pas les caractéristiques précises de ces trois syndromes).

irradiation totale et intense

Echelle des effets sur l'organismme d'une irradiation totale et intense

Cliquez ici pour voir une caricature des effets de la radioactivité

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Cette production a été réalisée par Julien Lamétéry, Antoine Perraud et Pierre Tissier de la classe de 1S1 du lycée Jérémie de La Rue (Charlieu) dans le cadre des TPE.

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