1) Le phénomène, les rayonnements et les déchets radioactifs

A) Les différents rayonnements

La radioactivité se manifeste sous forme de rayonnements α, β et γ, aussi appelé désintégration alpha, bêta et rayonnement électromagnétique gamma. Une désintégration est caractérisée par certaines propriétés :
o Aléatoire : Il est impossible de prévoir l'instant où va se produire la désintégration d'un noyau radioactif ;
o Spontanée : La désintégration se produit sans aucune intervention extérieure ;
o Inéluctable : Un noyau radioactif se désintégrera tôt ou tard ;
o Indépendante de la combinaison chimique dont le noyau radioactif fait partie ;
o Indépendante des paramètres extérieurs tels que la pression ou la température ;
o Lois de conservation : lors d'une désintégration radioactive α ou β il y a conservation du nombre de charge Z et du nombre de nucléons A.

En préalable à l’explication des différents rayonnements, expliquons un effet qu’il leur est commun :
 

zone rouge : les noyaux sont stables (vallée de stabilité).
zone jaune : les noyaux donnent lieu à une radioactivité de type alpha. Ce sont des noyaux lourds (N et Z sont grands donc A est grand)
zone bleue : les noyaux donnent lieu à une radioactivité de type bêta -. (noyaux qui présentent un excès de neutrons par rapport aux noyaux stables de même nombre de masse A).
zone verte : les noyaux donnent lieu à une radioactivité bêta +. (noyaux qui présentent un excès de protons par rapport aux noyaux stables de même nombre de masse A).

Le phénomène d'ionisation



Une particule chargée (ici une particule alpha) dotée d’une grande énergie expulse un électron d’un atome rencontré sur son chemin. L’atome qui a perdu un électron est devenu un ion. Son cortège d’électrons est perturbé, des liaisons avec ses voisins sont rompues. Finalement l’énergie transférée par la particule alpha, se retrouve dans le milieu sous forme de radiations électromagnétiques ou de chaleur. La particule alpha, contrairement à ce qu’indique le dessin, peut arracher des électrons à distance grâce à sa charge électrique : elle ionise des centaines de milliers, voire des millions d’atomes, avant de s’arrêter.

La charge électrique confère à une particule la faculté d'agir à distance et d'arracher des électrons appartenant aux atomes du milieu traversé. Elle « ionise » la matière, car les atomes neutres qui ont perdu des électrons sont appelés des « ions ». L'ionisation est d'autant plus forte que la charge électrique Z du projectile est élevée.

L'énergie d'un rayon alpha ou bêta est des centaines de milliers de fois supérieure aux quelques électronvolts nécessaires pour ioniser un atome. Il faut environ 30 électronvolts pour arracher un électron d'un atome de gaz, et beaucoup moins dans une structure cristalline.

La perte en énergie due à l'ionisation est proportionnelle à la masse et au carré de la charge de la particule. Elle varie beaucoup avec sa vitesse. Quand la particule est lente, elle passe davantage de temps dans un atome et elle a plus de chances d'interagir en le traversant. L'ionisation devient particulièrement intense en fin de parcours quand le projectile a perdu presque toute sa vitesse. Cette propriété est utilisée pour des applications thérapeutiques. Dans le traitement par irradiations de tumeurs cancéreuses, on règle le parcours des particules chargées pour qu'elles s'arrêtent dans les cellules malignes.

À force d’arracher des électrons, la particule perd son énergie, se ralentit et finit par s’arrêter. Plus l’ionisation est intense, plus le trajet est court. Tel est le cas des particules alpha dont la longueur du parcours dépend de l’énergie initiale. Le parcours d’un électron bêta est sinueux, mais ne peut dépasser une certaine longueur caractéristique de l’énergie. Du point de vue de la protection, une épaisseur de blindage supérieure au parcours maximum assure une sécurité parfaite.

Les électrons et les ions créés se recombinent, en l'absence de champ électrique, après le passage de la particule ionisante. L'énergie perdue est rapidement dissipée sous forme de chaleur le long de la trajectoire. Cette chaleur suffit à déclencher la formation de bulles dans un liquide sur le point de bouillir. Dans la bière, des bulles sont déclenchées par des particules chargées du rayonnement cosmique. Les effets de l’ionisation sont multiples : ruptures de liaisons moléculaires, créations de radicaux libres, déclenchements de réactions chimiques, génération de défauts dans des structures cristallines, etc... Dans certaines matières plastiques transparentes, les atomes retournent à l'équilibre en émettant de la lumière.

a) la radioactivité alpha

Les particules alpha sont à la fois les rayons radioactifs les plus dangereux pour la matière vivante et ceux dont il est le plus facile de se protéger. Une simple feuille de papier, de l’eau ou même de l’air peut arrêter ce type de rayons.
 

Exemple de la désintégration du radium-226
Ce gros noyau de 226 nucléons, dont 88 protons et 138 neutrons, émet une particule alpha composée de deux protons et deux neutrons. Il se transforme alors en noyau de radon-222, lui-même radioactif, contenant deux protons et deux neutrons de moins. La désintégration libère 4,6 millions d’électronvolts d’énergie. La particule alpha en emporte les 222/226ièmes et le radon 4/226ièmes.
Il faut attendre la désintégration 2300 ans en moyenne.

L'émission d'une particule alpha concerne surtout les très gros noyaux, dont le plus gros observé dans la nature est celui de l'uranium-238 comportant 92 protons et 136 neutrons.
De tels noyaux, instables, émettent un noyau léger d'hélium afin de devenir moins volumineux et ainsi de se rapprocher de la stabilité. Il s'avère que cette manière d'expulser deux protons et deux neutrons groupés est plus économique que d'expulser des protons et des neutrons de manière isolée.
L'énergie libérée lors d'une désintégration alpha se retrouve sous forme d'énergie cinétique partagée entre la particule alpha et le noyau qui recule. Comme dans un tir d'artillerie où l'obus emporte pratiquement toute l'énergie de la déflagration, les particules alpha emportent environ 98 % de l'énergie et le noyau de recul (la culasse du canon) le reste. L'énergie de la particule alpha est unique pour une désintégration donnée. Elle est de l'ordre de quelques millions d'électronvolts (MeV).
Un exemple de désintégration alpha est celui, historique, du radium-226 qui se transforme en un noyau de radon-222 en éjectant une particule alpha. La réaction libère 4,6 MeV. Le noyau résiduel de radon-222 est un gaz rare lui-même radioactif, l’espèce chimique s’est donc transformé au cours de la désintégration alpha.

Les « périodes » des désintégrations alpha sont souvent longues. Ainsi, certains émetteurs alpha comme le thorium-232 et l'uranium-238 mettent des milliards d'années à se désintégrer. Le radium-226 se désintègre lui avec une période de 1600 ans. La moitié des noyaux de radium contemporains du siège de Paris par Attila en 422 ne se sont donc pas encore désintégrés.

Parcours des rayonnements alpha :
L'énergie d'une particule alpha est variable, les plus gros noyaux émettant des particules de plus haute énergie, mais la plupart des particules alpha possèdent une énergie comprise entre 3 et 7 MeV. Ceci représente une quantité d'énergie relativement élevée pour une seule particule, mais leur masse importante implique que les particules alpha ont une vitesse plus faible (typiquement, une énergie cinétique de 5 MeV donne une vitesse de 15 000 km/s pour la particule) que les autres types de radiations courantes (particules bêta, rayonnement gamma, neutrons, etc.). Du fait de leur masse et de leur charge importante, les particules alpha sont facilement absorbées par la matière et ne peuvent parcourir que quelques centimètres dans l'air. Elles peuvent être arrêtées par une feuille de papier ou par la partie externe de la peau et ne sont donc en général pas dangereuses pour la santé sauf si la source est inhalée ou ingérée. Par contre, si une source de rayonnement alpha pénètre dans le corps humain elle est la forme de radiation la plus dangereuse; car c'est la plus ionisante et des doses suffisamment fortes peuvent provoquer tous les symptômes d'empoisonnement radioactif. On estime que les dommages causés aux chromosomes par les particules alpha sont environ 100 fois plus importants que ceux provoqués par une autre radiation en quantité équivalente

Parcours des rayonnements alpha


b) La radioactivité bêta

Le rayonnement β est une émission d'électrons. Sa pénétration est faible : elle est arrêtée par une feuille d'aluminium de quelques millimètres d'épaisseur. Ils sont émis lors de désintégrations avec des vitesses pouvant approcher celle de la lumière, donc beaucoup plus élevées que celle des particules alpha.



Exemple d’une désintégration bêta-
Un noyau de Cobalt-60, qui contient 33 neutrons et 27 protons, présente un excès de 6 neutrons (représentés en bleu). Pour se débarrasser de cet excès, un neutron se transforme en proton (représenté en rouge). Le noyau est devenu un noyau stable de nickel-60 avec 28 protons (un de plus) et 32 neutrons (un de moins), mais toujours 60 nucléons. Lors de la désintégration, deux corpuscules sont créés, un électron et un antineutrino qui échappe à la détection.
On distingue les deux variantes de radioactivité bêta sous les noms de radioactivité bêta- (β-) et bêta+ (β+).

La radioactivité bêta est rendue possible par la présence dans le noyau de forces capables de transformer un nucléon d'une espèce dans l'autre (un neutron en proton ou un proton en neutron) : ce sont les forces appelées faibles. Cette transformation ne change pas le nombre de nucléons. Elle est accompagnée de l'émission d'un électron ou d'un positon et d'un neutrino ou d'un antineutrino. Elle libère généralement de l'énergie. Son alternative, l'expulsion d'un neutron ou d'un proton n'est énergiquement possible que pour les noyaux les plus éloignés de la stabilité.

La radioactivité β- est l'émission d'un électron et d'un antineutrino accompagnant la transformation d'un neutron en proton. La radioactivité b+, son contraire, est la transformation d'un proton en neutron avec émission d'un positon et d'un neutrino. Les neutrinos ou antineutrinos sont des particules pratiquement indécelables.

L'énergie de la désintégration se partage entre les trois participants : le noyau qui recule, l'électron (ou le positon) et l'antineutrino (ou le neutrino). Le noyau, dont la masse est très lourde par rapport aux deux autres participants, n'emporte pratiquement pas d'énergie.

L'excès de neutrons étant fréquent parmi les noyaux radioactifs naturels, la radioactivité β- est de loin la plus observée.
Un exemple de radioactivité β- est celui d'un isotope naturel à vie très longue du Potassium, le potassium-40, dont 4000 noyaux se désintègrent par seconde dans le corps humain. Un second exemple est constitué par les produits de fission qui héritent de l'excédent en neutrons du noyau d'uranium ou de plutonium dont ils sont les fragments. L'excès de protons est rare dans la nature.

Parcours des rayonnements bêta :
Une particule bêta perd sa vitesse et son énergie en arrachant des électrons aux atomes qu'elle rencontre : elle ionise la matière le long de son parcours. Le parcours d'un électron ou positon diffère cependant sensiblement de celui d'une particule alpha, un petit noyau 7300 fois plus lourd. Un bêta possède la même masse que les électrons qu'il arrache aux atomes. De plus, si le bêta est un électron (c'est le cas le plus fréquent) il est en tout point semblable aux électrons atomiques.

Au total, les bêta sont moins ionisants que les particules alpha. Leur parcours est aléatoire, long et sinueux. Le rayonnement est plus pénétrant, mais ils sont moins nocifs en cas d'absorption. Il est un peu plus difficile de les arrêter : il faut trois mètres d'air ou une plaque d'aluminium de 7 millimètres d'épaisseur pour stopper sûrement un électron bêta. Il peut traverser la peau d'une personne.

c) La radioactivité gamma

Ce rayonnement n'était pas dévié par des champs électriques ou magnétiques, contrairement aux rayons alpha et bêta. Il était donc porté par des corpuscules électriquement neutres, les photons.

Les rayons « gamma » sont des ondes électromagnétique de même nature que les rayons X ou encore que la lumière émise par les atomes, mais l'énergie qu'ils transportent est beaucoup plus élevée : de 100 000 à quelques millions d'électronvolts.
La pénétration d’un rayon gamma est très grande : il faut une forte épaisseur de plomb ou de béton pour l'atténuer. C'est pourquoi autour du réacteur nucléaire, trois barrières successives empêchent, en cas d'accident, les produits de fission de contaminer l'extérieur : une gaine métallique, une cuve en acier de 20 cm d'épaisseur, une enceinte en béton précontraint de 80 cm d'épaisseur.



La radioactivité gamma se produit quand une désintégration ou un événement comme la capture d’un neutron a laissé le noyau avec un trop plein d’énergie. Le noyau " excité " revient généralement très rapidement à un état plus normal. Dans cette illustration, le noyau déformé et animé d’une rotation autour d’un axe retrouve une forme sphérique et perd sa rotation en émettant une radiation gamma qui emporte l’excédent d’énergie. Les rayons gamma sont de même nature que les photons de lumière émis par les atomes, mais leurs énergies sont des centaines de milliers de fois plus grandes.

Exemple de radioactivité gamma
L'émission d'un gamma accompagne une désintégration alpha ou bêta ou encore la capture d'un neutron par un noyau. Ces événements laissent généralement le noyau dans un état excité, c'est-à-dire avec un supplément d'énergie par rapport à son état naturel que les physiciens appellent « fondamental ». Le noyau perd alors cet excès d'énergie en une ou plusieurs étapes, émettant à chaque fois un « grain d'énergie électromagnétique », un photon gamma.
La transition gamma est presque toujours immédiate. Elle peut exceptionnellement se produire avec un retard. Tel est le cas d'un état excité du technétium qui dure plusieurs heures et qui laisse le temps de l'utiliser dans les hôpitaux comme une source pure de rayons gamma.

Comme l'atome, le noyau possède des états d'énergie bien définis. Le saut d'un état d'énergie à un autre se fait en émettant un g d'énergie unique, caractéristique de la transition et du noyau. La mesure de l'énergie des photons gamma constitue ainsi un moyen d'identification de la nature du noyau émetteur.

Parcours des rayonnements gamma :
L'effet des rayons gamma est très différent de celui de particules chargées. Alors que les rayons alpha et bêta déposent leur énergie progressivement, les photons gamma procèdent par tout ou rien. Ils ne produisent aucun effet avant d'interagir avec un noyau ou un électron. Quand ils interagissent, ils mettent en mouvement des particules chargées. Ce sont elles qui déposeront l'énergie dans la matière.

Avec de la chance, les rayons gamma peuvent échapper longtemps à une interaction. Ils sont donc très pénétrants et beaucoup plus difficiles à arrêter que des alpha et bêta. Dans les laboratoires et auprès des accélérateurs, l'habitude est de s'en protéger par des écrans en plomb, un matériau bon marché, les gamma étant plus vite absorbés par des noyaux lourds.

Arrachement d’un électron :


Les effets des rayons gamma sont délocalisés et se font sentir dans des volumes importants. C'est pourquoi les gamma du Cobalt-60 sont utilisés par exemple pour la stérilisation des aliments et la désinfection des momies. À faible dose, les gamma sont utilisés pour le diagnostic médical, car ils sont les moins nocifs en cas d'irradiations internes. C'est la raison pour laquelle, le technétium-99m, qui est l'un des rares noyaux uniquement émetteur gamma, est très recherché.


Résumé des pénétrations respectives des différents rayonnements issus de la radioactivité.

B) Les déchets radioactifs

Il faut savoir qu’il existe plusieurs types de déchets nucléaires. En effet les déchets nucléaires sont classés selon deux grands critères déterminants : Leur niveau de radioactivité et leur durée de vie (la radioactivité diminue avec le temps selon une courbe exponentielle ).  On peut ainsi aboutir à un classement des déchets en trois catégories (A, B, C) qui font chacune l’objet d’une politique de gestion particulière

a) Les déchets de faible radioactivité, à vie courte : Type A

  Ces déchets représentent 90% de la totalité des déchets radioactifs. Ils sont à vie courte et d’activité faible ou moyenne. Ils contiennent essentiellement des radioéléments émetteurs de rayon bêta et gamma (Filtres, Gants et petit matériel venant de l’exploitation de centrales, de laboratoire de recherche ou des hôpitaux). Ils sont compactés et conditionnés dans des fûts de métal ou de béton. La période de leur radioactivité est inférieure à 300 ans et dont la radioactivité devient négligeable au bout de 300 ans.
  La plupart du temps les opérations de compactage et de conditionnement s’effectuent jusqu’à présent sur les lieux mêmes de production.

b) Les déchets de moyenne radioactivité, à vie longue : Type B

  Ils sont aussi appelés « déchets alpha » en raison du rayonnement qu’ils émettent, présentent une activité moyenne, mais qui peut durer des dizaines de milliers d’années. Ces déchets représentent un peu plus de 9% de la totalité des déchets radioactifs. Il s’agit des résines d’épuration, concentras, filtres, coques métalliques ayant contenu l’uranium. Ils proviennent principalement des usines de retraitement (boues, gaines de combustibles). Ces déchets sont traités en vue d’une réduction de leur volume, conditionnés dans des fûts de métal ou de béton et entreposés à La Hague. Une des options envisagées pour leur stockage final est de les enterrer en profondeur.

c) Les déchets de forte radioactivité, à vie longue : type C

  Ces déchets sont aussi appelés « déchets vitrifiés » parce qu’on les coule dans du verre. Ce sont des déchets a très haute activité. Pendant quelques centaines d’années, ils émettent surtout des rayonnements bêta et gamma ; Ils émettent ensuite des rayonnements alpha. 
  Ils représentent environ 0.5% de la totalité des déchets radioactifs. Il s’agit principalement des cendres de la combustion de l’uranium- ou produits de fission- engendrés par les réactions nucléaires dans le cœur des réacteurs et récupérés dans les combustibles usés grâce aux opérations de retraitement. La radioactivité de ces déchets reste élevée pendant une longue période. Plusieurs étapes sont prévues : actuellement, les produits de fission sont stockés sous forme de liquide pendant environ cinq ans dans des cuves en acier inoxydables où ils perdent une partie de leur chaleur et de leur radioactivité.

Produits de la fission :
Les produits de fission sont instables et se désintègrent selon une demi-vie plus ou moins longue. La plupart des produits de fission sont des émetteurs bêta et gamma, certains sont des émetteurs de particule alpha.
Une fois les premiers instants post-fission passés où des neutrons dits « retardés » peuvent se trouver émis (quelques secondes après la fission), les corps instables formés lors de la fission vont progressivement rallier la situation de stabilité par émissions successives d’électrons (rayonnement bêta), accompagnées de rayonnements électromagnétiques (rayons gamma) correspondant au passage des différents niveaux d’énergie excités au niveau fondamental du noyau lui-même, et du réarrangement du cortège électronique desdits atomes.
Au cours du ralliement vers la situation stable – sauf cas rarissimes - le nombre total de nucléons des atomes instables initialement formés ne change pas ; seul le nombre de protons augmente par transformation successive de neutron en proton avec émission d’un électron à chaque fois et libération d’énergie sous forme de rayonnement gamma.
Ces considérations expliquent pourquoi les produits de fission sont :
· très généralement émetteurs bêta ;
· très souvent émetteurs gamma ;
· rarement émetteurs alpha et uniquement en résultante d’une désintégration d’émetteur bêta débouchant sur un corps quasi-stable, existant déjà à l’état naturel, lui-même émetteur alpha.

L’atome d’uranium fissionné et le neutron provoquant la fission comportent initialement 92 protons et 144 (143+1) neutrons, dont deux et demi (en moyenne) sont émis quasiment instantanément lors des fissions. Dès lors les deux atomes instables formés lors de la fission contiennent au total 92 protons et 141,5 neutrons (en moyenne), qui se répartissent entre les deux atomes instables formés. On peut voir ainsi que les deux atomes instables formés contiennent un nombre excessif de neutrons par rapport aux isotopes stables (entre trois et cinq neutrons « en excès » par rapport à la stabilité) des éléments concernés.
Les produits de fission peuvent être à l'état gazeux (par exemple Xénon 133, Krypton 85) ; liquide (Iode 131) ou solide (Césium 137, Strontium 90).Les produits de fission sont radiotoxiques. Ils contribuent à la radioactivité à court et moyen terme des déchets nucléaires de haute activité produits par le combustible nucléaire.
Environ 73% du total des atomes formés lors de la fission sont des corps solides stables ou des résidus des corps de période inférieure à 10 ans (qui disparaissent donc relativement rapidement).

Produits de fission à vie très longue

Environ 10% du total des atomes formés lors de la fission sont des radio-isotopes (déjà présents dans la nature) de période supérieure à 100 milliards d’années (Ils peuvent de facto être considérés comme des corps quasi-stables).
Ce sont :
· Le néodyme 144, pour en gros 3,2% des atomes initialement formés par fission, émetteur alpha.
· Le zirconium 96, pour en gros 3,2% des atomes initialement formés par fission, très certainement émetteur bêta.
· Le rubidium 87, pour en gros 1,36% des atomes initialement formés par fission, émetteur bêta.
· Les samarium 147 et 149, pour en gros 1,85% des atomes initialement formés par fission, émetteurs alpha.
Bien que certains ces corps sont émetteurs alpha, ils ne sont pas spécialement gênants car :
· Leur activité est très faible.
· Le dégagement de chaleur et d’hélium est donc également très faible.

Produits de fission à vie longue

Environ 10% du total des atomes formés lors de la fission sont des radio-isotopes à vie très longue qui représentent véritablement la radioactivité résiduelle à long terme due aux produits de fission, ils sont au nombre de 7. Ce sont :
· Le zirconium 93, émetteur bêta d'une demi-vie de 1,5 millions d’années pour en gros 3,2% des atomes initialement formés par fission
· Le césium 135, émetteur bêta d'une demi-vie de 3 millions d’années pour en gros 3,2% des atomes initialement formés par fission.
· Le technétium 99, émetteur bêta d'une demi-vie de 212 000 ans pour en gros 3,0% des atomes initialement formés.
· L’iode 129, émetteur bêta d'une demi-vie de 18 millions d’années pour en gros 0,49% des atomes initialement formés.
· L’étain 126, émetteur bêta d'une demi-vie de 100 000 ans pour en gros 0,10% des atomes initialement formés par fission.
· Le palladium 107, émetteur bêta d'une demi-vie de 18 millions d’années pour en gros 0,05% des atomes initialement formés par fission.
· Le sélénium 79, émetteur bêta d'une demi-vie de 65 000 ans pour en gros 0,02% des atomes initialement formés par fission.
Pour ces corps dont la durée de vie est sans rapport avec les échelles de temps historiques, la solution nominale actuelle consiste à les confiner dans une matrice adaptée (mélangés aux autres produits de fissions ci-dessus) et les placer au stockage géologique. Des études et évaluations économiques sont en cours pour examiner dans quelles conditions, il est possible de transmuter ces 7 corps en corps à vie courte.

Produits de fission à vie courte

Environ 7% du total des atomes formés lors de la fission sont des radio-isotopes à vie moyenne de période supérieure à 10 ans et inférieure à 100 ans.
Ce sont :
· Le césium 137, émetteur bêta et gamma d'une demi-vie de 30,2 ans pour en gros 3,2% des atomes initialement formés par fission.
· Le strontium 90, émetteur bêta et gamma d'une demi-vie de 28,1 ans pour en gros 2,9% des atomes initialement formés par fission.
· Le krypton 85, (qui est un gaz) émetteur bêta d'une demi-vie de 10,8 ans pour en gros 0,2% à 0,7% des atomes initialement formés par fission, ne se retrouve pas dans le stockage géologique mais séparé à l’usine de retraitement de La Hague
· Le samarium 151, émetteur bêta d'une demi-vie de 93 ans pour en gros 0,24% des atomes initialement formés par fission.
· Enfin, pour être complet, on doit mentionner l’étain 121 "métastable" émetteur gamma d'une demi-vie de 76 ans et le cadmium 113 "métastable" émetteur gamma d'une demi-vie de 14 ans qui sont produits à hauteur de moins de 0,01% des PF initialement formés.
Seuls le samarium 151, demi-vie de 93 ans (0,24% des atomes initialement formés par fission) et l’étain 121 métastable, demi-vie de 76 ans (moins de 0,01%), peuvent être considérés comme à la limite d’une gestion à l'échelle historique.
 

La question qui nous intéresse vraiment est de savoir quels peuvent être les impacts et les dangers que représentent ces différents rayonnements.