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Centrale nucléaire Isar, Allemagne

Piscine de combustible nucléaire usé

Turbine d'une centrale nucléaire

Rayonnement ionisant

Rayonnement ionisant

Un rayonnement ionisant est ce rayonnement formé par des photons ou des particules qui, lorsqu'ils interagissent avec la matière, produisent des ions, qu'ils le fassent directement ou indirectement.

Exemples de rayonnement électromagnétique ionisant:

  1. Les rayons ultraviolets de plus haute énergie.
  2. Rayons X et rayons gamma

Exemples de rayonnement ionisant corpusculaire:

  1. Radioactivité alpha.
  2. La désintégration bêta.

La lumière visible et les rayons infrarouges ne sont pas des rayonnements ionisants, pas plus que les ondes radioélectriques.

Ces radiations ont été découvertes par Wilhelm Conrad Röntgen en 1895. Depuis lors, ils ont été utilisés dans des applications médicales et industrielles. Malgré la variété des utilisations, les rayonnements ionisants présentent un risque pour la santé si les mesures correctes ne sont pas prises contre une exposition indésirable. L'exposition aux rayonnements ionisants endommage les tissus vivants et peut provoquer des mutations, une maladie radioactive aiguë, un cancer et la mort.

Dans le domaine de la médecine nucléaire, l'application la plus connue des appareils à rayons X, ou l'utilisation de sources de rayonnement dans le domaine médical, tant en diagnostic (scintigraphie) qu'en traitement (radiothérapie en oncologie par exemple) par l'utilisation de sources ou d'accélérateurs de particules.

Le rayonnement ionisant est invisible et n'est pas directement perceptible par les sens humains. Pour cette raison, des instruments sont nécessaires pour détecter le rayonnement, tels que les compteurs Geiger. Cependant, il peut provoquer l'émission de lumière visible immédiatement après interaction avec la matière, comme dans le rayonnement de Cherenkov et la radioluminescence.

Quelle est l'origine des rayonnements ionisants?

Les rayonnements ionisants peuvent avoir une origine naturelle ou artificielle. Naturellement, certaines substances radioactives peuvent émettre un rayonnement spontanément. D'autre part, il existe des générateurs artificiels, tels que les générateurs de rayons X et les accélérateurs de particules.

Certains éléments conviennent mieux que d'autres pour produire ce type de réaction. C'est le cas de l'uranium 235, qui a tendance à absorber tout neutron qui entre en collision avec lui. Lorsque cela se produit, l'uranium 235 augmente en poids, devient plus instable et finit par se diviser en plusieurs fragments, libérant d'autres neutrons.

Si ces neutrons sont absorbés, à leur tour, par d'autres atomes d'uranium 235, suffisamment d'énergie est libérée  pour générer plus de réactions. Ensuite,  une séquence de réactions en chaîne se produit. Ces divisions du noyau d'atomes sont appelées fission nucléaire et génèrent des quantités importantes de radioactivité et d'énergie.

En réalité, ces réactions de fission nucléaire sont ce qui est généré dans les réacteurs nucléaires afin que le reste de la centrale nucléaire puisse convertir cette énergie en électricité.

Qu'est-ce que la radiobiologie?

La radiobiologie est le domaine scientifique interdisciplinaire qui englobe les conséquences biologiques des rayonnements ionisants et non ionisants sur le spectre des ondes électromagnétiques. Ce domaine comprend la radioactivité (alpha, bêta et gamma), les rayons X, les rayons ultraviolets, la lumière visible, les micro-ondes et les ondes radio.

En outre, la radiobiologie étudie les rayonnements à basse fréquence (utilisés dans la transmission électrique alternée, les rayonnements thermiques à ultrasons ( chaleur) et les modalités connexes. La zone a été fondée par Louis Harold Gray.

En résumé, la radiobiologie étudie comment les rayonnements ionisants interagissent avec la matière vivante et les effets qu'elle produit.

Quels sont les effets physiques des rayonnements ionisants?

Nous pouvons classer les effets physiques des rayonnements ionisants en:

  • Effets nucléaires
  • Effets chimiques
  • Effets électriques

Effets nucléaires

Les neutrons (particules subatomiques), les rayons alpha et les rayons gamma extrêmement énergétiques (> 20 MeV) peuvent provoquer une transmutation nucléaire. Les mécanismes pertinents sont l'activation des neutrons et la photo-désintégration.

Un nombre assez important de transmutations peut modifier les propriétés macroscopiques et rendre les cibles radioactives, même après le retrait de la source d'origine.

Effets chimiques

Les rayonnements ionisants qui interagissent avec les molécules peuvent entraîner:

  • Radiolyse (rupture des liaisons chimiques)
  • Formation de radicaux libres hautement réactifs. Ces radicaux libres, qui ont un électron non apparié, peuvent réagir chimiquement avec les éléments voisins, en leur soustrayant un électron, même après l'arrêt du rayonnement d'origine.
  • Destruction des réseaux cristallins, les rendant amorphes.
  • Accélération des réactions chimiques, telles que la polymérisation, qui aident à atteindre l'énergie d'activation requise pour la réaction.

Au lieu de cela, certains éléments sont immunisés contre les effets chimiques des rayonnements ionisants, tels que les fluides monoatomiques qui n'ont pas de liaisons chimiques à rompre et qui n'interfèrent pas avec le réseau cristallin.

En revanche, de simples composés biatomiques à enthalpie très négative, tels que l'acide fluorhydrique, se reformeront rapidement et spontanément après ionisation.

Effets électriques

L'ionisation des matériaux augmente temporairement leur conductivité, affectant l'  électronique des atomes . C'est un risque particulier en microélectronique semi-conductrice avec le risque de courants retardés introduisant des erreurs de fonctionnement. La microélectronique semi-conductrice est utilisée dans les équipements électroniques.

En cas de débits élevés, l'appareil lui-même est définitivement endommagé. Le rayonnement protonique existant dans l'espace peut également modifier considérablement l'état des circuits numériques.

Les dispositifs destinés aux environnements à rayonnement élevé peuvent être fabriqués pour résister à de tels effets grâce à la conception, la sélection des matériaux et les méthodes de fabrication. Ces appareils sont couramment utilisés dans les équipements spatiaux (extra-atmosphériques) et pour l'industrie nucléaire.

En réalité, les circuits plus complexes utilisés par le logiciel parviennent à compenser les erreurs dues à l'irradiation.

Quels effets le rayonnement a-t-il sur la santé?

Les rayonnements ionisants peuvent affecter les tissus biologiques et, par conséquent, la santé.

Les dommages qu'elle peut causer aux tissus biologiques sont de différents types et sont divisés en:

  • Dommages somatiques déterministes. Les effets déterministes impliquent des doses élevées de rayonnement sur de grandes parties du corps.
  • Dommages somatiques stochastiques. Des effets non déterministes se produisent à de faibles niveaux d'exposition aux rayonnements. Dans ce cas, le dommage est statistique. Autrement dit, il est possible de prédire la proportion d'une population donnée de personnes exposées qui sera affectée, mais impossible de savoir comment cela affectera chaque personne individuellement.
  • Dommages génétiques stochastiques. Ces dommages décrivent les altérations génotypiques héritées résultant de mutations dans les gènes des cellules germinales ou les chromosomes.

Les dommages somatiques se réfèrent aux dommages qui se sont produits dans les tissus de la personne irradiée. D'un autre côté, les dommages génétiques se réfèrent aux dommages qui affecteront les générations futures. 

Les réglementations anti-pollution actuelles fixent des limites strictes à l'exposition individuelle, qui impliquent également une exposition à des matériaux de construction courants tels que le tuf (qui libère des fumées de radon).

    Effets du rayonnement alpha sur la santé

    Le rayonnement alpha a un faible pouvoir de pénétration, il est donc facilement arrêté par la couche superficielle des cellules mortes de la peau. En ce sens, la peau remplit une fonction de  radioprotection,  elle n'est donc pas dangereuse pour l'homme en cas de rayonnement externe.

    Au lieu de cela, le rayonnement alpha devient dangereux dans les situations où la source radioactive est inhalée ou ingérée (rayonnement interne) car dans ce cas, elle peut endommager directement les tissus radiosensibles.

    Effets des rayonnements gamma sur la santé

    En revanche, le rayonnement gamma (photons), qui a un pouvoir de pénétration très élevé, peut être dangereux pour les êtres vivants même dans des situations de rayonnement externe. La quantité de rayonnement absorbée par un corps est appelée la dose absorbée et est mesurée en gris.

    Quelles sont les sources de rayonnements ionisants?

    Sources naturelles:

    • Désintégration radioactive spontanée des radionucléides.
    • Réactions thermonucléaires, comme le soleil.
    • Réactions nucléaires induites par suite de l'entrée dans le noyau de particules élémentaires de haute énergie ou fusion nucléaire.
    • Rayons cosmiques.

    Sources artificielles:

    • Radionucléides artificiels.
    • Réacteurs nucléaires.
    • Accélérateurs de particules (génèrent des flux de particules chargées ainsi qu'un rayonnement photonique bremsstrahlung).
      • Appareil à rayons X comme type d'accélérateur, le frein génère des rayons X.

    Radioactivité induite

    À la suite de l'irradiation et de la réaction nucléaire induite correspondante, de nombreux atomes stables deviennent des isotopes instables.

    À la suite d'une telle irradiation, une substance stable devient radioactive et le type de rayonnement ionisant secondaire sera différent de l'exposition initiale. Cet effet est plus prononcé après irradiation neutronique.

    La chaîne des transformations nucléaires

    Au cours du processus de désintégration ou de synthèse nucléaire, de nouveaux nucléides apparaissent, qui peuvent également être instables. Le résultat est une chaîne de transformations nucléaires.

    Chaque transformation a sa propre probabilité et son propre ensemble de rayonnements ionisants. Par conséquent, l'intensité et la nature du rayonnement d'une source radioactive peuvent varier considérablement au fil du temps.

    Références

    Effets biologiques des rayonnements - Dosimétrie  (es - pdf)

    Auteur :

    Date de publication : 28 novembre 2019
    Dernier examen : 21 mars 2020