Notes sur le cours sur lĠŽnergie nuclŽaire

 

I. RadioactivitŽ

                  I. 1. La structure de la matire :

                  - La matire est formŽe de minuscules entitŽs : les atomes.                                  

- Chaque atome est constituŽ dĠun noyau autour duquel tournent trs rapidement des Žlectrons.

- Dans le noyau d'un atome il y a des protons et des neutrons.

 

                  I. 2. Noyau instable

                  - Noyau instable  Žmission dĠun rayonnement (dŽsintŽgration)

                  - CĠest ce phŽnomne quĠon appelle radioactivitŽ.

 

                   I. 3. DiffŽrents types de rayonnement : alpha, bta et gamma.

- La radioactivitŽ alpha se traduit par lĠŽmission dĠun petit noyau, constituŽ de deux protons et de deux neutrons, appelŽ particule alpha.

Ce rayonnement est peu pŽnŽtrant, quelques centimtres dĠair ou une feuille de papier suffisent ˆ lĠarrter.

- La radioactivitŽ bta se traduit par lĠŽmission dĠun Žlectron ou dĠun anti-Žlectron.

Ce rayonnement est stoppŽ par une vitre ou quelques centimtres dĠaluminium.

- La radioactivitŽ gamma se traduit par lĠŽmission de photons trs.

Il faut de fortes Žpaisseurs de bŽton ou de plomb pour stopper les rayonnements gamma.

 

                  I. 4. PŽriode / demie-vie

- Ces dŽsintŽgrations ne se font pas instantanŽment. En fait, on considre un ensemble de noyaux ˆ un instant t ; le temps nŽcessaire pour que le nombre de noyaux initiaux soit divisŽ par 2 s'appelle la demi-vie. Ce temps caractŽristique diffre pour chaque noyau et peut tre de l'ordre de la milliseconde ˆ plusieurs centaines de milliers d'annŽes. Plus un noyau a une durŽe de demi-vie courte plus il sera radioactif, et inversement. Notons qu'ˆ chaque fois qu'un noyau Žmet une radiation, c'est qu'il s'est dŽsintŽgrŽ : il a donc dŽfinitivement disparu. Par exemple, aprs 10 demi-vie, il ne reste plus que 1 millime du nombre de noyaux radioactifs initiaux.

                  - Voici quelques exemples :

                                                     Uranium :         239U : 23 minutes

                                                                                         235U : 7,1.108 ans

                                                                                         238U : 4,5.109 ans

- Remarque : il n'y a aucune diffŽrence entre les radiations Žmises par la radioactivitŽ naturelle (i.e., celles Žmises par les atomes prŽsents dans la nature) et les radiations ``artificielles'' : ce terme, signifie que ce sont les noyaux radioactifs qui ont ŽtŽ formŽs ``artificiellement'' (par des rŽactions nuclŽaires sur des atomes de la nature.

 

II. Que se passe-t-il au centre du rŽacteur dĠune centrale nuclŽaire ?

 

La fission nuclŽaire

- CĠest gr‰ce ˆ lĠuranium, un mŽtal relativement abondant dans lĠŽcorce terrestre, que fonctionnent les centrales nuclŽaires.

- A lĠorigine de la rŽaction de fission, il y a un projectile, le neutron, qui vient frapper un noyau et le divise en deux  parties.

- La division du noyau est appelŽe rŽaction de fission et un atome qui a la facultŽ de se diviser en deux est dit Ç fissile È. CĠest le cas de lĠUranium 235 et du Plutonium 239.

- Cette rŽaction sĠaccompagne dĠun grand dŽgagement dĠŽnergie sous forme de chaleur.

- La fission est utilisŽe dans les rŽacteurs nuclŽaires o on ma”trise les rŽactions en cha”ne pour produire de lĠŽnergie.

- Lors de la fission, lĠatome dĠUranium est divisŽ en deux atomes (appelŽs produits de fission) et Žmet deux ou trois neutrons. Cette rŽaction sĠaccompagne de rayonnements alpha, bta et gamma.

- Les neutrons Žmis lors de la rŽaction de fission sont susceptibles, ˆ leur tour, de provoquer une rŽaction de fission dĠun atome dĠuranium. La rŽaction nuclŽaire peut ainsi se poursuivre de proche en proche. CĠest ce que lĠon appelle la rŽaction en cha”ne.

- LĠŽnergie dŽgagŽe devient trs vite considŽrable. Sans prŽcautions, la rŽaction en cha”ne conduit ˆ une explosion : cĠest ce qui se produit dans une bombe atomique.

- Dans un rŽacteur nuclŽaire, la rŽaction en cha”ne est ma”trisŽe par un modŽrateur qui absorbe les neutrons. Ceci permet de maintenir un taux de fission constant.

 

Aller sur le site du CEA (Commissariat ˆ lĠEnergie Atomique) : www.cea.fr (espace jeunes)

 

III. Rayonnement : unitŽs et ordres de grandeurs

Nous venons de voir que la rŽaction de fission Žtait accompagnŽe dĠune Žmission de rayonnements radioactifs particulirement nocifs dont il faut se protŽger.

La nŽcessitŽ de se protŽger des radiations apparut trs peu de temps aprs la dŽcouverte de la radioactivitŽ. Aprs sa dŽcouverte des rayons uraniques, Becquerel sĠaperut quĠun tube de matire radioactive, gardŽ dans la poche de sa veste, avait provoquŽ une bržlure comparable ˆ un coup de soleil.

 

III. 1. La radioactivitŽ

- LĠactivitŽ dĠun ŽlŽment, cĠest-ˆ-dire son degrŽ de radioactivitŽ, de mesure en Becquerel (Bq). Le Becquerel indique en fait le nombre de dŽsintŽgrations par seconde dĠun atome. Ainsi une dŽsintŽgration par seconde correspond ˆ 1 Bq, dix dŽsintŽgrations par seconde ˆ 10 Bq.

- Il est important de bien noter que l'activitŽ d'une substance va dŽpendre directement de la quantitŽ de matire radioactive, qu'elle soit solide, liquide ou gazeuse.

- Le Becquerel est une petite unitŽ, voici quelques repres de valeurs :

                  1 homme (70kg) ˆ 7000 Bq

                  1 litre de lait ˆ 80 Bq

1 litre d'eau de pluie ˆ 0.3 ˆ 1 Bq

1 kg de sol sŽdimentaire ˆ 400 Bq

1 kg de sol granitique ˆ 8000 Bq

1 kg dĠUranium

 

III. 2. LĠimpact du rayonnement radioactif sur la matire

- Il sĠorganise dans deux directions : son pouvoir de pŽnŽtration et son pouvoir dĠionisation.

- Pouvoir de pŽnŽtration : le rayonnement va pŽnŽtrer plus ou moins de matire vivante et agir sur les atomes ou groupes dĠatomes quĠil traverse.

- Pouvoir ionisant : le rayonnement est capable dĠarracher des Žlectrons aux atomes pour former des ions. 

 

III. 3. Dose AbsorbŽe, Dose ƒquivalente et Dose Efficace

- La dose absorbŽe donne une mesure de la quantitŽ de radiation absorbŽe par la matire ; elle se mesure en Gray (Gy). Un Gray = 1 joule absorbŽ par kilogramme de matire. La dose absorbŽe ne dŽpend pas du type de radioactivitŽ (alpha, beta, gamma).

- On parlera de dŽbit de dose si on fait intervenir le temps : Un dŽbit de dose de 1 Gy/h n'aura pas les mmes effets s'il est subi pendant quelques minutes ou quelques millisecondes !

- La dose Žquivalente permet de prendre en compte l'effet des diffŽrents types de radioactivitŽ sur les tissus vivants ; par exemple, 1 gray de radiation alpha aura plus d'effets qu'un gray de radiation bta. La dose Žquivalente se mesure en Sievert (Sv) ; c'est en fait la dose absorbŽe multipliŽe par un facteur de pondŽration du rayonnement. Un sievert reprŽsente une dose trs ŽlevŽe et on parle gŽnŽralement de milli-sievert (1 mSv=10-3 Sv).

- Le dŽbit d'Žquivalent de dose fait intervenir le facteur temps : Les effets de la radioactivitŽ naturelle sur notre corps sont de l'ordre du milli-Sievert par an.

- La dose efficace permet de prendre en compte le type de tissus soumis ˆ la radiation. Elle se mesure aussi en sievert. C'est la dose Žquivalente multipliŽe par un facteur de pondŽration tissulaire. Ce facteur dŽpend non seulement de la radiosensibilitŽ de chaque organe, mais aussi de la gravitŽ (donc de la mortalitŽ) des cancers radio-induits.

                 

- Les chiffres donnŽs dŽpendent du lieu, de lĠannŽe de la source. Il faut retenir quĠen France les effets de la radioactivitŽ naturelle (terre, rayonnement cosmique, Radon dans lĠair, ingestion dĠalimentsÉ) sur notre corps sont du mme ordre de grandeur que les effets de la radioactivitŽ artificielle (mŽdecine, industries, nuclŽaire). La part du nuclŽaire dĠaprs les chiffres donnŽs est nŽgligeable (0,5 % du total).

 

III. 4. Quels risques pour quelles doses ?

Les effets sur l'organisme dŽpendent de la dose reue mais la durŽe pendant laquelle cette dose a ŽtŽ reue est un facteur trs important.

- Indication des effets probables pour diffŽrentes doses reues par un homme en fonction le temps pendant lequel cette dose ˆ ŽtŽ reue : 

1 000 000 mSv en une fois : mort dans les minutes qui suivent lĠirradiation

10 000 mSv en une fois (temps court infŽrieur ˆ quelques heures) : dommages immŽdiats, trs sŽvres entra”nant la mort en quelques semaines.

6000 mSv en une fois : 90 % de mortalitŽ dans les mois qui suivent lĠirradiation 

Entre 2000 et 4 000 mSv en une fois : dommages sŽrieux mais non dŽfinitifs.

 

50 mSv/an est la plus petite dose ˆ partir de laquelle on ne peut prouver l'apparition de cancers (cette dose est aussi la radioactivitŽ naturelle de plusieurs lieux sur Terre). Au delˆ de cette valeur, le nombre de cancers (mais pas de leur gravitŽ) augmente avec la dose.

Limite de dose annuelle rŽglementaire : 5 mSv

20 mSv/an moyennŽ sur 5 ans : c'est la limite lŽgale que peuvent recevoir les travailleurs du nuclŽaire.

Rq : Limite de dose annuelle rŽglementaire pour les travailleurs du nuclŽaire : 50 mSv au cours dĠune annŽe quelconque

2-10 mSv/an : radioactivitŽ naturelle moyenne (peut tre beaucoup plus ŽlevŽe)

1 mSv/an : c'est la limite lŽgale que peut recevoir le public (au dessus de la radioactivitŽ naturelle).