RAYONNEMENTS IONISANTS-RADIOPROTECTION

RAYONNEMENTS IONISANTS-RADIOPROTECTION

Objectifs :

Cours 1 : Nature et origine des rayonnements ionisants

I) Rappel

constituant élémentaire de la matière ==> atome

modèle simple : atome <==> noyau ==> protons + neutrons électrons

protons : chargés électriquement + électrons : chargés électriquement -

atome électriquement neutre ==> nombre de protons = nombre d'électrons

II) Ionisation

atome ionisé si nb d'électrons différents du nb de protons si nb d'électrons > nombre de protons ==> ion négatif si nb d'électrons < nombre de protons ==> ion positif Avec rayonnement ionisant

==> apport d'énergie au niveau des couches électroniques des atomes

==> excitation de l'atome

==> si l'excitation est suffisante ==> expulsion d'électrons du cortège électronique

==> ion

Production d'ions

==> l'énergie apporté par le rayonnement > l'énergie de liaison des électrons (électrons les plus éloignés du noyau : énergie de liaison la plus faible).

==>Dans le vivants : organisation "moléculaire"

C, O, H...

==> l'énergie de liaison est de l'ordre de 10 eV (1 eV= 1,6.10^-19 J)

==> le rayonnement est ionisant si l'énergie libérée dans la matière est > 10 eV

III) Nature des rayonnements ionisants

Rayonnement : -OEM

-particules élémentaires Conditions "ionisant" ==> énergie > 10 eV

1) Cas du rayonnement EM

Énergie portée ==> E=h*n

avec -h : constante de Planck = 6,626.10^-34 J.s -n : la fréquence de l'onde.

E > 10 eV

n > 2,42.10¹⁵ Hz <==> l < 1,24.10^-7 m l < 0,1 µm ==> UV, rayon X, rayon g

2) Rayonnement particulaire

Particule de la "taille" de la problématique Ionisation ==> phénomène de "taille" atomique Particule <==> "taille" atomique

-atome (petit)

-éléments de l'atome : protons, neutrons -éléments des nucléons : quark

-électrons

-particules élémentaires... (physique atomique) Rayonnement particulaire ==> particule animée d'une vitesse Ionisation possible si l'énergie cinétique > 10 eV

Ec <==> l'énergie libérable lors d'un "impact" : particule/électron

IV) Origine des rayonnements 1) Rayonnement EM

-excitation/désexcitation du cortège électronique des atomes -"refroidissement" de la matière

==> tout corps dont la température est > 0 K

==> émission d'OEM

==> "perte" d'énergie ==> T diminue

==> Théorie de Planck

==> émission de "lumière" [soleil 6000 K]

-désintégration nucléaire

2) Rayonnement particulaire

Production naturelle ==> réaction nucléaire (niveau atomique)

==> désintégration radioactive : un noyau se casse en morceaux

==> fission : un noyau se casse sous un impact

==> fusion : 2 noyaux "fusionnent" en 1 a) Radioactivité naturelle

Description des différents types de radioactivité radioactivité ==> noyau (pas l'atome)

Instabilité des noyaux Noyau : protons et neutrons

==> les protons se repoussent entre eux ==> force de répulsion Coulombienne

Nucléons (indépendamment de leur charge)

==> force nucléaire forte

==> agit a courte distance ( 10^-15 m = fermi) Cohésion : force nucléaire > force Coulombienne

Pour les "gros" noyaux : la cohésion est instable : le noyau est instable

==> spontanément : rupture de la cohésion

==> radioactivité

Formalisme : -X : symbole de l'élément -A : nombre de nucléons -Z : nombre de protons -N : nombre de neutrons

Réaction nucléaire : élément X qui devient un élément Y avec émission de particules X ---> Y ...

état 1 état 2 Principe de la conservation :

==> de la charge : charge état 1 = charge état 2 S1 Z = S2 Z

==> conservation du nombre de nucléons S1 A = S2 A

Radioactivité a émission d'un noyau d'hélium

ZAX ---> Z-2A-4Y + 24He

exemple : 84212Po ---> 82208Pb + 24He Po = polonium

Pb = plomb

Radioactivité b -

transformation d'un neutron en proton

==> émission d'un électron et d'un antineutrino électronique n ---> p⁺ + e^- + ,e ZAX ---> Z+1AY + e^- + ,e

A est inchangé : réaction isobarique exemple : 1532P ---> 1632S + e^- + ,e

P = phosphore S = soufre

Radioactivité b +

transformation d'un proton en neutron

==> émission d'un antiélectron et d'un neutrino électronique p⁺ ---> n + e + ne antiélectron ==> e⁺

ZAX ---> Z-1AY + e + ne e + e ---> 2 g de 0,511 MeV

exemple : 1530P ---> 1430Si + +10e + ne P = phosphore

Si = silicium

Radioactivité de capture K

capture par le noyau d'un électron ==> un proton devient un neutron p⁺ + e^- ---> n + ne

ZAX + e^- ---> Z-1AY + ne

exemple : 55151Cs + e^- ---> ¹⁵¹54Xe + ne

Cs = césium Xe = xénon

b) Autres types de radioactivité Naturelle...

Origine humaine : radioactivité mis en oeuvre pour des raisons économiques et/ou militaires...

Fission

Un noyau est brisé par un neutron : par exemple la fission de l'uranium

01n + 92275U ---> 3894Sr + 54140Xe + 2 01n U = uranium

Sr = strontium Xe = xénon

Fusion

exemple : réaction thermonucléaire du soleil 4 11H ----> 24He + 2 +10e + 2 00n

V) Bilan énergétique : notion de stabilité

ZAXN

Masse du noyau ==> masse des Z protons + masse des A-Z neutrons cohésion ==> force ("colle")

"colle" ==> un peu de masse de chaque nucléon E= mc²

==> masse noyau < somme des masses des nucléons Dmasse*c² = El des nucléons

El = énergie de liaison

El ==> énergie nécessaire qu'il faut fournir pour casser le noyau

==> fission et fusion libère de l'énergie

==> converge vers une stabilité plus grande

Cours 2 : Grandeurs caractéristiques

I) Activité et constante radioactive 1) Loi de désintégration

Phénomène de désintégration ==> phénomène aléatoire

==> moment de désintégration d'un noyau ==> non prévisible

==> le nombre moyen de noyaux qui se désintègre ==> prévisible Avec un grand nombre d'atome N

si dN représente la variation du nombre de noyaux sur dt : intervalle de temps dN = -N*cte*dt

Comme le nombre de noyaux diminue avec le temps

==> dN est une grandeur négative représentant le nombre de noyaux qui ont disparu

==> dN = nombre de noyaux désintégrés

dN = -l*N*dt avec l : constante radioactive : caractéristique de l'élément

par intégration : nombre de noyaux restant en fonction du temps et du nombre de noyaux initiaux N = N0*e^-l*t

l = représente une probabilité de désintégration (s^-1)

Pourcentage de noyaux qui se désintègrent par unité de temps

2) Période

l ==> pourcentage de noyaux qui se désintègrent par unité de temps Période = T ==> durée pour que 50% des noyaux se désintègrent T= f(l)

loi de désintégration N = N0*e^-l*t avec t = T N0/2 = N0*e^-l*T

T = ln 2/l

alors N = N0*e^-ln2/T*t

Période de quelques éléments radioactifs

3H 12,3 ans

14C 5730 ans

40P 1,3 milliards d'années

238U 4,5 milliards d'années

226Ra 1620 ans

210Pb 22,2 ans

32P 14,3 ans

3) Activité d'une source

l ==> pourcentage de noyau qui se désintègrent par unité de temps avec N le nombre de noyaux a l'instant t

l*N ==> nombre de noyaux désintégrés par unité de temps ==> activité d'une source radioactive A

A = l*N avec la définition de la loi de désintégration dN = -l*N*dt

A = -dN/dt

L'activité a pour dimension s^-1 [s^-1] <==> [Bq] (pour la radioactivité) ==> becquerel Ancienne unité : Curie ==> 1 Ci = 3,7.10¹⁰ Bq (activité de 1 g de radium)

Avec N = N0*e^-ln2/T*t A = l*N

==> A= A0*e^-ln2/T*t

Avec A0 : l'activité à l'instant t = 0

A exponentielle décroissante en fonction du temps

==> représentation semi-logarithmique

==> droite de pente -ln 2/T

==> permet facilement, par mesure de A, de déterminer la période d'un élément

II) Grandeurs utilisées en radioprotection

Radioprotection ==> s'inquiète des dégâts sur le vivant

Dégâts <=> ionisation <=> énergie déposé par le rayonnement

1) Dose absorbée

Définition : Énergie moyenne déposée par un rayonnement dans un élément de volume/masse de matière contenu dans le volume considéré.

==> énergie/unité de masse

D= e/m 1 J/kg = 1 Gy Gy <=> Gray

Ancienne unité : Rad => 1 Gy = 100 rad

2) Dose équivalente

La notion de dose n'est pas suffisante pour expliquer la relation "Dose-Effet".

==> introduire un paramètre de "qualité" du rayonnement

==> pour une même dose les effets sont différents

==> si du a

==> si du b

==> si des neutrons

==> Facteur de pondération du rayonnement : wr

==> Dose équivalente HT.R = wr*DT.R (Unité : Sv : Sievert)

==> T : tissus

==> R : nature du rayonnement

Nature du rayonnement Facteur wr

Photons 1

Électrons et muons 1

Neutrons < 10 keV 5

10 keV à 100 keV 10

100 keV à 2 MeV 20

2 MeV à 20 MeV 10

> 20 MeV 5

Protons > 2 MeV 5

a et fission 20

Noyaux lourds 20

3) Cas de la contamination interne

==> élimination de l'élément par l'organisme

==> élimination de l'élément par désintégration

==> durée de vie de l'élément dans l'organisme

==> introduire une demi-vie <=> période biologique

==> un élément incorporé par un organisme

==> demi-vie biologique : Tbio

==> demi-vie physique : Tphy

==> demi-vie apparente ou effective : Teff

1/Teff = 1/Tphy + 1/Tbio

Le calcul de l'activité de la source radioactive incorporée A= A0*e^-ln2/Teff*t

Cours 3 : Les effets biologiques

I) De la molécule au tissus

Rayonnement ionisant

==> radiolyse de l'eau

==> ionisation

==> rupture de liaison moléculaire

==> chronologie des événements lors d'une irradiation

0 irradiation

10^-15 s ionisation

10^-5 s réactions des radicaux modification de

la radiosensibilité réactions moléculaires

Effet O2

s réactions biochimiques

min lésion de l'ADN développement

du génome métabolique

Effet clinique mort différées réparation

jour des cellules cellulaire immédiat

semaine réparation précoce

tissulaire

année cancérisation tardifs

descendance mutation génétique

1) Lésion de l'ADN

Ruptures de chaînes :

==> écartement des deux brins ==> pénétration de H2O

==> rupture des liaisons hydrogène entre les bases complémentaires

==> rupture simple ou double

==> lésions des bases nucléiques

==> formation de liaisons chimiques anormales (pontage)

==> intrachaînes

==> interchaînes (ADN ou ARN)

==> avec une protéines

==> distorsion des deux brins d'ADN

==> intercalation de certaines substances chimiques

2) Effets cellulaires

lésions de l'ADN

OUI NON

réparation totale

restitution OUI compatible NON

ad integrum avec la division cellulaire

mutation

cellules cellules

somatiques germinales

mort cellulaire

cancer affections différées

héréditaires

Effets aléatoires (stochastiques) Effets déterministes

3) Lésion des tissus

==> observables si un grand nombre de cellules est tuées

==> varie selon la radiosensibilité du tissus - les tissus embryonnaires

- les organes hématopoïétiques

- les gonades Radiosensibilité

- l'épiderme diminue

- la muqueuse intestinale - le tissu conjonctif - le tissu musculaire - le tissu nerveux

II) Conséquence sur le vivant

1) Les sources d'informations

Les données scientifiques disponibles ont 3 origines :

==> étude "in-vitro"

==> étude : expérimentation animale

difficile : nombre d'animaux limités nombre de générations limitées

==> enquêtes épidémiologiques (sur les Hommes) difficile :

==> faible dose : besoin d'un nombre important d'individus

==> mortalité par cancer "non radio-induit" élevé (20 %)

==> un cancer radio-induit <=> autre cancer

==> débit de dose Fortes doses :

Malades traités par rayonnement X ou radio-isotopes :

- quelques dizaines de milliers de patients traités par rayon X : spondhylarthrite (colonne vertébrales et bassin)

- plusieurs dizaines de milliers de femmes (8 pays) traitées par rayons X et g : cancer du col de l'utérus

Survivants d'Hiroshima et Nagasaki : 80 000 survivants parmi les 120 300 exposés.

Faibles doses :

Certains groupes d'ouvriers : - radiologiste

- mineurs dans les mines d'uranium - personnel des centrales nucléaires - militaires ?

2) Les effets déterministes

Altérations fonctionnelles ou morphologiques ex

: lésions de la peau, baisse de la fécondité, cataracte, etc.

Effets observables sur tous les individus irradiés

==> Gravité augmente avec la dose

==> vrai si la dose est > dose seuil

==> effets obligatoires

==> si la dose est < dose seuil

==> aucun effet observable

Relation "Dose-Effet" effet

==> extrapolation

forme de la courbe dépend : du tissus

du type de rayonnement

dose seuil

D<0,2-0,3 Gy aucun effet

0,3<D<1 Gy baisse temporaire du nombre de lymphocytes et

symptômes banaux : malaise, vomissement, nausées, anorexie

1<D<3,5 Gy atteinte du système hématopoïétiques, le

nombre de lymphocytes diminue très

rapidement, il reste bas du 3^ième jour jusqu'à la 4^ième semaine

3,5<D<5,5 Gy des manifestation clinique sévère affectent tout les individus irradiées. 50 à 90 % des gens mourront : hémorragies, infections

La dose létale (dose qui tue 50 % des individus testés) chez l'homme sain est de 4,5 à 5,5 Gy

5,5<D<7,5 Gy syndrome hématopoïétiques

syndrome gastro-intestinale

==> la conséquence est l'atteinte de la muqueuse intestinale

En l'absence de greffe de moelle osseuse la mort est pratiquement certaine

7,5<D<10 Gy lésions combinées intestinales, pulmonaires,

hématopoïétiques lésions gravissimes

la mort intervient s'il n'y a pas de greffe de moelle osseuse en 1 ou 2 semaines

D>15 Gy signe neurologique

aucune thérapeutique

==> mort en 24 h Utilisation en médecine

10 Gy/dose : préparation à une greffe de moelle osseuse (traitements des leucémies) 60 à 80 Gy : traitement des cancer ==> en séance multiples sur une région précise

3) Les effets stochastiques

==> induction de cancer et de mutations génétiques

==> différents des effets déterministes

==> ce n'est pas la gravité qui augmente avec la dose

==> mais c'est le nombre de cas observés Dans le cas d'un cancer

gravité d'un cancer radio-induit = gravité d'un cancer naturel ---> caractère probabiliste <=> stochastique

==> importance des faibles doses

==> aucun effets déterministes observables

==> aucune prise de conscience du danger

Cancers naturels Cancers radio-induits

250 000

Dose (mSv) CIPR UNSCAER

0,1 1,25 0,4 à 5,5

1 12,5 4 à 55

10 125 40 à 550

Évaluation du nombre de cancers mortels par millions de personnes nombre de cas

??

dose Difficulté de l'approche :

Études épidémiologiques

==> nombreux problèmes à résoudre par rapport : - au débit de dose

- à la dose

variation du risque en fonction : - de l'âge à l'exposition

- de la radiosensibilité individuelle - des caractères ethniques

- du temps écoulé depuis l'exposition - des effets combinés avec d'autres toxiques

Cours 4 : Sources d'expositions

I) Exposition à des sources naturelles

2 sources : - espace : rayonnements cosmique ==> radio-isotopes induits - croûte terrestre : radio-isotopes naturels

1) Rayonnements cosmiques

Étoiles <=> réacteurs thermonucléaires

==> libère en permanence des protons (hydrogène)

==> énergie élevée

==> fusion d'éléments légers

==> création d'éléments lourds

==> atomes d'hélium (a)

==> carbone, azote, oxygène...

Éléments expulsés lors de l'explosion des supernova

==> rayonnement permanent de particules à haute énergie

==> rayonnement cosmique primaire

==> Terre sous l'effet du vent solaire

==> sous l'influence des éruptions solaires ==> augmentation du flux de particules

==> apparition d'aurore, d'orage magnétique...

Interactions du vent solaire avec l'atmosphère

==> génèrent des radio-isotopes exemples : carbone 14 : T=5730 ans

1 n + ¹⁴N ---> 1 H + ¹⁴C

==> s'incorpore dans le dioxyde de carbone de l'atmosphère

==> assimilation chlorophyllienne

==> fixé par les végétaux tritium : T=12,3 ans 1 n + ¹⁴N ---> 3 ⁴H+ ³H

==> s'incorpore dans les molécules d'eau (état vapeur)

==> eau de pluie

==> toute l'eau de la planète béryllium 7 : T=53 jours

2) Radio-isotopes naturels

a) Écorce terrestre

==> noyaux instables présents au moments de la formation de la Terre

==> noyaux de période longue (pour qu'il en reste aujourd'hui)

==> T>300 millions d'années

==> noyaux d'origine cosmique

==> explosion d'une supernova

==> accumulation des poussières par gravité

==> planète

==> éléments présent dans toutes les roches cristallines

==> roches sédimentaire <=> érosion

Groupe Radio-nucléide Période (années) Émission

I uranium 235 7.10⁸ a

II

potassium 40 1,18.10⁹ a, g

uranium 238 4,47.10⁹ a

thorium 232 1,41.10¹⁰ a

III

rubidium 84

samarium 147 1,06.10¹¹ a

néodyme 144 2,29.10¹⁵ a

bismuth 209 1,9.10¹⁹ a

b) Air

Éléments radioactif dispersés dans l'atmosphère

==> sous forme de poussières : érosion éolienne des roches

==> sous forme gazeuse

==> éléments gazeux des familles radioactives

==> radon 222

==> descendant du radon sous forme d'aérosols isotopes du plomb, du bismuth et du polonium

==> éléments métalliques

==> condensent sur les poussières c) Eau

==> lessivage des roches cristallines : érosion

==> entraîne les éléments radioactifs

==> en fonction de leurs origines : teneur différentes

==> eaux minérales eau de mer

==> idem "eau douce"

==> salinité : augmentation de la teneur en K⁺ ==> teneur en radioactivité plus élevé

3) Variation de l'exposition

a) Origine cosmique

Variations faible en fonction de la latitude

==> mais plus élevé aux pôles (magnétosphère) Variation importante en fonction de l'altitude

Atmosphère <=> écran protecteur

==> plus l'épaisseur est faible plus la teneur est importante

==> x2 tout les 1500m b) Origine tellurique

Dépend des roches du sous-sol de la région.

Variation très importante

France : de 0,65 mSv/an (Nord)

à 1,66 mSv/an (Massif Central) Monde : Inde 4 à 18 mSv/an

Brésil 8 à 175 mSv/an Iran jusqu'à 400 mSv/an

II) Exposition du à l'activité humaine 1) Industrie nucléaire

3 sources potentielles : - centrales

- usine de traitement et de retraitement - centre de stockage des déchets

usine de combustible centrale déchets usine de déchets centre de

traitement traitement ultimes stockage

usine de retraitement Gestion des déchets

3 catégories :

A : radioéléments de période<30 ans très peu d'émetteur a

activité faible ==> 300 ans <=> négligeable

==> compactage, broyage, fusion...

==> bitume, résine thermodurcissante, ciment...

B : émetteur a

période longue à très longue C : émetteur a, b, g

période longue B et C ==> vitrification

==> attente d'une solution de stockage définitive Accidents

centrale de Tchernobyl 1986

usine de retraitement de Kyshtyn : Russie 1957

Three Mile Island : USA 1979 Gravité

Windscale : Royaume-Uni 1957

Saint-Laurent : France 1980

2) Activité militaire

Préparation et utilisation de 2 types : - armes

- vecteurs (navires, sous-marin, satellite) Sources d'information ???

Pays Nombre d'essais Période des essais

États-Unis 193 1945-1962

URSS 142 1949-1962

Royaume-Uni 21 1952-1953

France 45 1960-1974

Chine 22 1964-1980

==> ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs, ¹⁴C, ³⁹Ar, ²⁴Na, ²²P, ¹²K Accidents

aériens : 2 B52 avec destruction des armes 3 missiles...

sous-marins : 10 réacteurs déclarés perdus 50 armes déclarées perdues satellites : < 10 déclarés perdus

Sources d'informations ???

3) Activité médicale

Diagnostic : - rayonnement X

- injection d'un radiopharmaceutique

==> scintigraphie

Visée thérapeutique : irradier de manière sélective les lésions

==> sans endommager les tissus sains Radiothérapie

==> exposition importante pour les êtres humains (pays industrialisés)

III) Bilan

Dose efficace annuelle par individu (pays industrialisés) Exposition naturelle : 2,4 mSv/an

Exposition médicale : 1,1 mSv/an

Normes françaises : Limite annuel d'exposition (LAE)

Catégorie A Catégorie B Public

globale 50 15 5

main, avant-bras, pied,

cheville 500 150 50

peau 500 150 50

cristallin 150 45 15

(en mSv/an)

A : directement affecté à des travaux sous rayonnements D>3/10 LAE

B : susceptible d'être exposé D<3/10 LAE