La première fois que l’homme a pris conscience qu’il était entouré de rayonnements invisibles, c’est en 1895, quand Wilhelm Roentgen met en évidence qu’une plaque photographique peut être impressionnée par un rayonnement invisible pouvant traverser la matière. Il appelle X ce rayonnement inconnu. Les médecins comprennent immédiatement son intérêt et l’utilisent pour leurs recherches médicales : c’est le début de la radiologie.

Cependant, des praticiens et des radiologues utilisant fréquemment ces rayonnements pour leurs patients tombent malades. L’homme se rend alors compte qu’à fortes doses, une irradiation est dangereuse et qu’il faut donc s’en protéger. Dès les années 1920, se créent des commissions internationales pour définir des réglementations sur l’utilisation des rayonnements et sur la radioprotection de l’homme.

I – La diversité des rayonnements

 

• Notre monde, un bain de rayonnements

L’homme est exposé aux rayonnements depuis son apparition sur terre. Il est , par exemple, exposé aux rayonnements solaires, c’est-à-dire à la lumière visible provenant du Soleil, laquelle s’accompagne de rayonnements invisibles connus sous le nom de rayonnements ultraviolets et infrarouges. Ces rayonnements sont des ondes électromagnétiques comme le sont aussi les ondes radio, les rayons X et les rayons gamma.

L’homme est également exposé à d’autres rayonnements invisibles qui proviennent de l’espace et du Soleil, connus sous le nom de rayonnements cosmiques. Ces rayonnements de très grande énergie (ondes et particules) sont capables de traverser d’épaisses couches de roches.

Les éléments radioactifs présents dans notre environnement émettent des rayonnements alpha, bêta et gamma. Les rayonnements gamma sont des ondes électromagnétiques tandis que les rayonnements alpha et bêta sont des particules qui sont respectivement un noyau d’hélium et un électron. L’activité d’un élément radioactif, c’est-à-dire le nombre de désintégrations par seconde dans une certaine masse de cet élément, est mesurée en becquerels. Parmi les rayonnements particulaires existent aussi les neutrons.

 

• Les différents rayonnements ionisants

Les rayonnements les plus énergétiques transfèrent assez d’énergie aux électrons de la matière pour les arracher de leur atome. Les atomes ainsi privés de certains de leurs électrons sont alors chargés positivement. Les atomes voisins qui accueillent les électrons se chargent négativement. Les atomes chargés positivement ou négativement sont appelés ions. Les rayonnements capables de provoquer de telles réactions sont dits ionisants. Les rayonnements ionisants regroupent :

• Les rayonnements cosmiques
• Les ondes électromagnétiques les plus énergétiques, soit les rayonnements X et gamma. Les rayons X peuvent être produits par un faisceau d’électrons envoyé sur une cible métallique. Ces électrons interagissent avec les électrons des atomes du métal, les font changer d’énergie et émettre des rayons X. Les rayons gamma sont émis par des atomes radioactifs lors de leur désintégration.
• Les rayonnements alpha, bêta plus et bêta moins (particules émises par des atomes radioactifs lors de leur désintégration).
• Les neutrons libres qui sont surtout présents dans les réacteurs nucléaires ; ils sont émis, par exemple, lors de la fission d’atomes d’uranium 235. Ils sont indirectement ionisants car c’est leur capture par les noyaux ou leur interaction avec ceux-ci qui génère des rayonnements gamma et/ou diverses particules. Les neutrons sont aussi présents aux altitudes de vol des avions long courrier et subsoniques : ils participent à 30 % de la dose reçue par le personnel navigant.

Les autres rayonnements sont appelés rayonnements non ionisants et comprennent les ondes électromagnétiques les moins énergétiques.

 

• La pénétration des rayonnements dans la matière

Par leur énergie, les rayonnements ionisants sont pénétrants, c’est-à-dire qu’ils peuvent traverser la matière. Cependant, le pouvoir de pénétration est différent pour chacun d’entre eux, ce qui définit des épaisseurs différentes de matériaux pour se propager.

Mentionnons que les positons (rayonnements bêta plus) sont pratiquement absorbés sur place : un positon s’annihile avec le premier électron rencontré sur son passage en formant deux photons gamma, ce qui ramène le problème au cas du rayonnement gamma.

 

• L’énergie absorbée par la matière

Lorsqu’un rayonnement pénètre la matière, il interagit avec elle et lui transfère de l’énergie. La dose absorbée par la matière caractérise ce transfert d’énergie.

L’unité de dose absorbée par la matière est le gray (Gy) qui est équivalent à 1 joule absorbé par 1 kg de matière.

 

II – Les effets biologiques des rayonnements

 

• L’étude des effets des rayonnements

Les effets des rayonnements UV (soleil) sont bien connus du grand public. Si, à faibles doses, ils apparaissent assez inoffensifs, à forte dose, certains peuvent présenter des dangers. Par exemple, des expositions prolongées au soleil provoquent des coups de soleil, des brûlures dues à la présence des rayonnements UV. A long terme, elles peuvent même être la cause de cancers.

Les rayonnements ionisants contribuent à une ionisation des molécules présentes dans les organismes vivants. Selon la dose reçue et le type de rayonnements, leurs effets peuvent être plus ou moins néfastes pour la santé. Deux approches sont utilisées pour étudier leurs différents effets biologiques : l’épidémiologie et l’expérimentation sur des molécules ou cellules d’organismes vivants. L’épidémiologie consiste à observer les effets sur des populations qui ont subi des irradiations d’origine naturelle ou artificielle (populations d’Hiroshima et Nagasaki, premiers radiologues et travailleurs dans les mines d’uranium…).

Par ailleurs, grâce à l’expérimentation, les chercheurs observent, en particulier, les dégâts et perturbations engendrés par les rayonnements ionisants sur l’ADN (très longue molécule présente dans les cellules vivantes, supportant l’information génétique). Ils analysent aussi les mécanismes de réparation qu’une cellule est capable de mettre en jeu lorsque sa molécule d’ADN a été détériorée. L’épidémiologie et l’expérimentation permettent de mieux connaître les effets des rayonnements ionisants afin de définir des règles et des normes de radioprotection et de soigner les personnes ayant subi des irradiations accidentelles.

 

• Les effets immédiats

Une forte irradiation par des rayonnements ionisants provoque des effets immédiats sur les organismes vivants comme, par exemple, des brûlures plus ou moins importantes. La dose absorbée (en grays) est utilisée pour caractériser les effets immédiats, consécutifs à de fortes irradiations (accidentelles ou thérapeutiques pour soigner un cancer). Par exemple, les radiothérapeutes utilisent la dose absorbée pour quantifier l’énergie délivrée dans les tumeurs qu’ils traitent par irradiation. Lors d’une radiothérapie, les médecins peuvent délivrer localement des doses allant jusqu’à 40 Gy sur la tumeur à traiter.

 

• Les effets à long terme

Les expositions à des doses plus ou moins élevées des rayonnements ionisants peuvent avoir des effets à long terme sous la forme de cancers et de leucémies. Ces effets se manifestent de façon aléatoire (que l’on ne peut pas prédire pour une personne donnée). Les rayonnements alpha, qui sont de grosses particules (noyaux d’hélium), sont rapidement freinés lorsqu’ils pénètrent à l’intérieur d’un matériau ou d’un tissu vivant et déposent leur énergie localement. Ils sont donc, à dose absorbée égale, plus perturbateurs que des rayonnements gamma ou X, lesquels pénètrent plus profondément la matière et étalent ainsi leur dépôt d’énergie.

Pour rendre compte de la nocivité plus ou moins grande des rayonnements à dose absorbée égale, il a fallu introduire pour chacun d’eau un « facteur de qualité ». En multipliant la dose absorbée par ce facteur, on obtient une mesure de l’effet biologique d’un rayonnement reçu que l’on appelle la dose équivalente.

L’unité de dose équivalente, utilisée pour mesurer l’effet des rayonnements sur les tissus vivants, est le sievert (Sv).

Cependant, le risque biologique n’est pas uniforme pour l’ensemble de l’organisme. Il dépend de la radiosensibilité de l’organe irradié et les spécialistes définissent une nouvelle dose, la dose efficace (aussi exprimée en sieverts) qui tient compte de ces différences de sensibilité des organes et définit le risque d’apparition à long terme d’un cancer dans l’organisme entier.

 

• Les modes d’exposition aux rayonnements

Selon la manière dont les rayonnements atteignent l’organisme, on distingue deux modes d’exposition : externe ou interne.

L’exposition externe de l’homme aux rayonnements provoque une irradiation externe. Elle a lieu lorsque celui-ci se trouve exposé à des sources de rayonnements qui lui sont extérieures (substances radioactives sous forme de nuage ou de dépôt sur le sol, sources à usage industriel ou médical…). L’exposition externe peut concerner tout l’organisme ou une partie seulement de celui-ci. Elle cesse dès que l’on n’est plus sur la trajectoire des rayonnements (cas par exemple d’une radiographie du thorax).

L’exposition interne (contamination interne) est possible lorsque des substances radioactives se trouvent à l’intérieur de l’organisme. Celles-ci provoquent une irradiation interne. Elles ont pu pénétrer par inhalation, par ingestion, par blessure de la peau, et se distribuent ensuite dans l’organisme. On parle alors de contamination interne. Celle-ci ne cesse que lorsque les substances radioactives ont disparu de l’organisme après un temps plus ou moins long par élimination naturelle et décroissance radioactive ou par traitement.

La décroissance radioactive est la suivante :

• Pour l’iode 131 (¹³¹I) : 8 jours
• Pour le carbone 14 (¹⁴C) : 5700 ans
• Pour le potassium K (⁴⁰K) : 1,3 milliard d’années.

Tous les radioéléments ne sont pas éliminés naturellement (urines…) à la même vitesse. Certains peuvent s’accumuler dans des organes spécifiques (os, foie…) avant d’être évacués du corps. Pour chacun des éléments radioactifs, on définit, en plus de sa période radioactive, une période biologique, temps au bout duquel la moitié de l’activité d’une substance radioactive a été éliminée de l’organisme, par des voies naturelles.

 

• L’exposition de l’homme aux rayonnements

Pour apprécier à leur juste valeur les risques liés aux rayonnements ionisants, il est nécessaire de regarder l’exposition naturelle de l’homme à laquelle il a toujours été soumis. Tous les organismes vivants y sont adaptés et semblent capables de corriger, jusqu’à un certain degré, les dégâts dus à l’irradiation.

En France, l’exposition annuelle de l’homme aux rayonnements ionisants est d’environ 2 mSv. En plus de cette radioactivité naturelle, nous sommes exposés à des rayonnements provenant de sources artificielles. Ces rayonnements sont du même type que ceux émis par des sources naturelles et leurs effets sur de la matière vivante sont, à dose égale, identiques. Ce sont essentiellement les radiographies médicales ou dentaires. Seulement 1,5 % provient d’autres sources comme les retombées des essais aériens des armes nucléaires et les retombées de l’accident de Tchernobyl.

 

• L’exposition naturelle

Les rayonnements ionisants que nous recevons de sources naturelles ont des origines diverses et se répartissent en 3 principaux types :

• Les rayonnements cosmiques: ils proviennent de l’espace extra-terrestre et en particulier du Soleil. En Europe, ils se traduisent, pour tous ceux qui vivent à une altitude voisine du niveau de la mer, par une irradiation moyenne d’environ 0,30 mSv / an. Lorsqu’on s’élève en altitude, l’exposition aux rayonnements augmente.
• Les éléments radioactifs contenus dans le sol: il s’agit principalement de l’uranium, du thorium et du potassium. Ces éléments provoquent en moyenne pour chacun de nous en France une irradiation d’environ 0,35 mSv / an. Il faut noter que dans certaines régions de France et du monde, dont le sol contient des roches comme le granit, ces irradiations sont plus fortes.
• Les éléments radioactifs naturels que nous absorbons en respirant ou en nous nourrissant: des émanations gazeuses de certains produits issus de la désintégration de l’uranium contenu dans le sol tel que le radon, ou le potassium des aliments dont nous fixons une partie dans notre organisme provoquent chez chacun d’entre nous, en moyenne, une irradiation de 1,55 mSv / an. La principale source d’irradiation naturelle est le radon 222, gaz naturel radioactif. Elle représente environ un tiers de l’irradiation reçue et augmente dans les régions granitiques.

 

• L’exposition artificielle

Pour chaque habitant, l’exposition annuelle moyenne aux sources artificielles d’irradiation est d’environ 1 mSv. Celles-ci sont principalement :

• Les irradiations médicales: il s’agit principalement des radiographies médicales et dentaires qui provoquent une irradiation externe proche de 1 mSv / an (moyenne en France) ;
• Les activités industrielles non nucléaires: la combustion du charbon, l’utilisation d’engrais phosphatés, la télévision, les montres à cadran lumineux entraînent, en moyenne, une irradiation de 0,01 mSv / an ;
• Les activités industrielles nucléaires: les centrales nucléaires, les usines de retraitement, mes retombées des anciens essais nucléaires atmosphériques et de Tchernobyl… exposent chaque homme en moyenne à 0,002 mSv / an.

 

III – La radioprotection

 

• Les règles de radioprotection

La radioprotection est un ensemble de mesures destinées à assurer la protection sanitaire de la population et des travailleurs. 3 règles de protection contre toutes les sources de rayonnements sont :

• S’éloigner de la source de rayonnements, car leur intensité diminue avec la distance ;
• Mettre un ou plusieurs écrans entre la source de rayonnements et les personnes (par exemple, dans les industries nucléaires, de multiples écrans protègent les travailleurs. Ce sont des murs de béton, des parois en plomb et des verres spéciaux chargés en plomb) ;
• Diminuer au maximum la durée de l’exposition aux rayonnements.

Ces mesures de radioprotection peuvent être comparées à celles que l’on prend contre les UV : utilisation d’une crème solaire qui agit comme écran et limitation de l’exposition au Soleil.

Pour les sources radioactives émettant des rayonnements, deux autres recommandations sont à ajouter aux précédentes :

• Attendre, quand cela est possible, la décroissance naturelle radioactive des éléments ;
• Utiliser la dilution lorsqu’on a affaire à des gaz radioactifs.

Par exemple, les installations nucléaires ne sont pas démantelées aussitôt leur arrêt, de façon à attendre une diminution de l’activité des zones concernées. Dans les mines d’uranium souterraines, une ventilation très efficace permet de maintenir une faible concentration de radon dans l’air que respirent les mineurs.

Les travailleurs pouvant être soumis à des rayonnements ionisants lors de leur activité (industries nucléaires, médecins, radiologues…) portent un « film » ou « dosimètre » qui mesure la quantité de rayonnements auxquels ils ont été soumis. Ces dispositifs permettent de s’assurer que la personne n’a pas reçu une dose supérieure à la norme tolérée ou d’en mesurer l’importance.

 

• Les normes internationales de radioprotection

La prise de conscience du danger potentiel d’une exposition excessive aux rayonnements ionisants a amené les autorités à fixer des normes réglementaires pour les limites de doses. Ces limites correspondent à un risque supplémentaire minime par rapport au risque naturel, ce qui le rend donc acceptable.

Depuis 1928, la Commission internationale de protection radiologique (CIPR) rassemble des médecins, physiciens, biologistes… de tous pays. Cette autorité scientifique indépendante émet des avis précieux en matière de radioprotection, pour les réglementations propres à chaque Etat.

L’UNSCEAR (United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation) réunit des scientifiques représentant 21 nations. Il a été créé en 1955 au sein de l’ONU pour rassembler le maximum de données sur les niveaux d’exposition dus aux diverses sources de rayonnements ionisants et leurs conséquences biologiques, sanitaires et environnementales. Il constitue un bilan régulier de ces données, mais également une évaluation des effets en étudiant les résultats expérimentaux, l’estimation des doses, les données humaines.

Au niveau européen, l’Union européenne reprend ces avis dans ses propres normes ou directives. Les normes légales de radioprotection donnent :

• Une limite de dose efficace de 1 mSv/an pour la population et de 20 mSv/an en moyenne sur 5 ans pour les personnes directement affectées aux travaux sous rayonnements ionisants (industrie nucléaire, radiologie médicale) ;
• Une limite de dose équivalente (organe) de 150 mSv pour le cristallin (œil) et 500 mSv pour la peau, les mains.

Le législateur divise par 20 les doses administrées des travailleurs pour la population car il considère que celle-ci comporte des sujets de tous âges, de tous états de santé et qui ne sont pas si bien suivis médicalement…

 

• Au niveau national

En France, la radioprotection relève de l’Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire (IRSN), placé sous la tutelle conjointe des ministres chargés de la Défense, de l’Environnement, de l’Industrie, de la Recherche et de la Santé. Il a été créé en février 2002 par la réunion de l’Institut de protection et de sûreté nucléaire (IPSN) et de l’Office de protection contre les rayonnements ionisants (OPRI).

L’IRSN réalise des recherches, des expertises et des travaux dans les domaines de la sûreté nucléaire, de la protection contre les rayonnements ionisants, du contrôle et de la protection des matières nucléaires, et de la protection contre les actes de malveillance.

 

IV – Exemples d’applications des rayonnements

 

• La radiographie et la radiothérapie en médecine

La radiographie médicale utilise la capacité qu’ont les rayons X de traverser le corps humain. Les différents tissus (os, muscles) ne laissent toutefois pas passer les rayons X de la même façon : les os sont plus opaques et les muscles sont plus transparents. Une radiographie permet donc de voir par contraste le squelette et, par exemple, d’observer une fracture pour mieux la soigner. Elle permet également de regarder si des tissus sont endommagés par une maladie : les radiographies des poumons, couramment pratiquées, donnent aux médecins d’importantes informations sur l’état de santé du patient.

Le tomographe (ou scanner) à rayons X est une machine qui, à partir d’un grand nombre de projections (quelques centaines à quelques milliers) sur un détecteur linéaire, d’un calculateur et d’un logiciel de reconstruction permet d’obtenir des « coupes », soit du corps entier, soit de parties du corps (crâne…) et est utilisé pour la localisation précise de lésions, tumeurs…

Un autre outil utilisant les rayons X, conçu par des chercheurs du CEA avec la collaboration de General Electric MSE (Medical System Europe), est le morphomètre. Cet appareil permet, pour la première fois, d’acquérir et de visualiser en 3 dimensions un organe complet avec une qualité d’image inégalée. En particulier, il est enfin possible de visualiser et de manipuler par voie informatique soit un réseau vasculaire complet, soit une structure osseuse.

Dans le souci de toujours diminuer la dose reçue par les patients, Georges Charpak, un Français prix Nobel de physique 1992, a imaginé un détecteur de rayonnements très sensible permettant de diminuer par 2 ou 3 cette dose en donnant les mêmes informations qu’un détecteur traditionnel.

Une autre grande application des rayonnements en médecine est la radiothérapie ou traitement par les rayonnements ionisants. Quelques mois après la découverte des rayons X, il y a un peu plus d’un siècle, on s’aperçut que l’action biologique des rayonnements pouvait être utilisée, à forte dose, pour traiter les cancers. Les cellules tumorales, parce qu’elles se divisent rapidement, sont plus sensibles que les autres aux rayonnements ionisants. En envoyant sur ces cellules une certaine dose de rayonnements, il est possible de les tuer et d’éliminer la tumeur. Aujourd’hui, près de la moitié des personnes qui ont pu être guéri d’un cancer l’a été grâce à la radiothérapie.

 

• La stérilisation d’objets par rayonnement gamma

 

Irradiation du matériel chirurgical et des aliments

L’irradiation est un moyen privilégié pour détruire à froid les micro-organismes (champignons, bactéries, virus…). De ce fait, de nombreuses applications des rayonnements existent pour la stérilisation d’objets. Par exemple, la majorité du matériel médico-chirurgical (seringues jetables…) est aujourd’hui radio-stérilisée par des industriels spécialisés. De la même façon, le traitement par irradiations d’ingrédients alimentaires permet d’améliorer l’hygiène des aliments : stérilisation des épices, élimination des salmonelles des crevettes et des cuisses de grenouille… Cette technique porte aussi le nom d’ionisation des aliments.

 

Irradiation d’objets d’art

Le traitement par des rayons gamma permet d’éliminer les larves, insectes ou bactéries logés à l’intérieur des objets, afin de les protéger de la  dégradation. Cette technique est utilisée dans le traitement de conservation et de restauration d’objets d’art, d’ethnologie et d’archéologie. Elle est applicable à différents types de matériaux : bois, pierre, cuir…

Une autre technique permet de conserver des vestiges très dégradés : statues rongées par des vers, épaves anciennes en bois gorgé d’eau… Dans ce cas, un traitement d’imprégnation par une résine photosensible, suivi d’un durcissement (polymérisation) sous irradiation, permet de consolider puis de restaurer les œuvres (procédé dit «  Nucléart »).

 

• L’utilisation des rayonnements dans l’industrie

 

Élaboration de matériaux

L’irradiation provoque, dans certaines conditions, des réactions chimiques qui permettent l’élaboration de matériaux plus résistants, plus légers, capables de performances supérieures. C’est la chimie sous rayonnement, dont les applications sont nombreuses en médecine et dans l’industrie (par exemple isolants, câbles, gaines thermorétractables dans l’industrie électrique…)

 

Radiographie et neutronographie

On peut voir à travers la matière, en utilisant des sources de rayonnements ou de particules :

• La radiographie industrielle (X ou gamma) est très utilisée en chaudronnerie, pour les constructions soudées, dans les constructions navales, pour le pétrole, en pétrochimie, dans l’aéronautique, pour la construction des centrales nucléaires, dans le génie civil (charpentes métalliques, structure en béton précontraint…). Ces examens radiographiques consistent, comme en médecine, à enregistrer l’image de la perturbation d’un faisceau de rayonnements X (ou gamma) provoquée par l’objet à contrôler. Ils permettent sans détruire le matériau de repérer les défauts. Les rayonnements X servent aussi à visualiser les objets contenus à l’intérieur des bagages dans les aéroports.
• La neutronographie, pour certains types d’examens, se sert des neutrons comme source de rayonnements. En effet, et contrairement aux rayons X, les neutrons peuvent aisément traverser des matériaux de forte densité (tels l’acier et le plomb) et sont très bien adaptés à l’imagerie des matériaux riches en hydrogène. Par exemple, la neutronographie permet de voir l’arrangement et la continuité d’une poudre explosive à travers une paroi en acier. Ainsi, la qualité des dispositifs pyrotechniques utilisés dans la fusée Ariane est contrôlée au CEA par cette technique. Loin d’être concurrents, la radiographie X et la neutronographie sont complémentaires.

 

Jauges radiométriques

Les jauges radiométriques utilisent des sources radioactives scellées, émettrices de rayonnements gamma, de particules bêta ou de neutrons. Elles servent au contrôle des niveaux de remplissage, à la mesure des densités de fluides dans les canalisations, à la mesure des épaisseurs ou des grammages (de la feuille de papier aux tôles d’acier), à l’analyse des minerais et des alliages…