Les matières radioactives et l’énergie nucléaire

 

L’énergie nucléaire est le plus souvent utilisée pour produire de l’électricité. Bas carbone et compétitif, les éléments radioactifs possèdent d’autres atouts et prouve leurs utilités dans de nombreuses applications.

Quels sont les avantages des éléments radioactifs?

 Quels sont leurs impacts sur la santé et l’environnement ?

 1 / Les éléments radioactifs et la radioactivité :

Toute la matière qui nous entoure est constituée d’atomes. Chaque atome est constitué d’un noyau autour duquel il y a un nuage d’électrons. Le noyau est constitué de nucléons: protons et neutrons.

https://www.acro.eu.org/notions-de-base-de-radioactivite/

Lorsque le noyau atomique est instable (élément père) se transforme par désintégration, en noyau plus stable (élément fils), en dégageant de l’énergie sous forme de rayonnements.

On observe trois types de rayonnements émis:

RAYONNEMENT ALPHA :

C’est une particule composée de deux protons et de deux neutrons extrêmement liés entre eux (noyau d’hélium) et animée d’une grande vitesse. Le rayonnement alpha étant constitué d’une particule lourde, il est très peu pénétrant, une simple feuille de papier peut l’arrêter

RAYONNEMENT BETA :

C’est une particule, électron (β) ou positron (β+), animée d’une grande vitesse. L’électron ou le positron étant des particules légères, le rayonnement β est beaucoup plus pénétrant. Il faut une feuille métallique de quelques cm d’épaisseur pour arrêter ce rayonnemen

RAYONNEMENT GAMMA :

Ce sont des photons beaucoup plus énergétique. Ce rayonnement est très pénétrant. Il faut une épaisseur de béton de plusieurs dizaines de cm pour l’atténuer.

https://en.wikipedia.org/wiki/Radioactive_contamination#/media/File:Alfa_beta_gamma_radiation.svg

 Les unités de mesure:

    – Le becquerel (Bq): correspond au nombre de noyaux qui se désintègrent par unité de temps..

    – Le gray (Gy): Quantité d’énergie absorbée par la matière vivante ou inerte et par unité de masse

    – Le sievert (Sv): permet d’évaluer l’impact du rayonnement sur la matière vivante

2 / Les caractéristiques des isotopes radioactifs
– Les nucléides radioactifs pères qui se désintègrent lentement au fil du temps pour donner de nouveaux nucléides fils. la désintégration se poursuit jusqu’à atteindre un nucléide stable et non radioactif. Les nucléides qui sont issus d’un même nucléide originel constituent une filiation radioactive (par exemple la filiation radioactive de l’uranium).

– La demi-vie d’un nucléide radioactif est la période T qui correspond à la désintégration de la moitié des nucléides constituant un échantillon donné.

par exemple:  La demi-vie du carbone 14  =  5 734 ans

La demi-vie du potassium 40 = 1,3  109 ans

La demi-vie de l’iode 131= 8,02 jours

 Parmi ls 325 atomes différents, 274 d’entre eux sont stables et 51 instables.

  exemple:  235U , 14C, 238U, 232Th ، 40K

3 / La fission nucléaire:

L’uranium est un élément constitué d’atomes lourds. Ces atomes possèdent un noyau capable de se casser en deux noyaux plus petits sous l’impact d’un neutron. Ce phénomène est appelé fission nucléaire.

Le neutron n’ayant pas de charge électrique, il peut facilement s’approcher du noyau et pénétrer à l’intérieur sans être repoussé.

La fission s’accompagne d’un grand dégagement d’énergie et en même temps, de la libération de deux ou trois neutrons. Les neutrons libérés peuvent à leur tour casser d’autres noyaux, dégager de l’énergie et libérer d’autres neutrons, et ainsi de suite. C’est ce que l’on appelle une réaction en chaîne.

4 / Les avantages des éléments radioactifs:

a – La production d’énergie électrique

Dans les centrales nucléaires, le bombardement des noyaux d’uranium par des neutrons, provoque un éclatement donnant plusieurs noyaux avec libération d’autres neutrons, qui à leur tour provoquent d’autres éclatements. cette chaine de fission aboutit à la libération d’une quantité d’énergie impressionnante qui va chauffer l’eau et le transformer en vapeur, ce qui met en mouvement une turbine reliée à un alternateur pour produire un courant électrique alternatif.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Sch%C3%A9ma_Centrale_nucl%C3%A9aire.jpg

b – La datation absolue

La datation absolue, ou radiochronologie, vise à obtenir des estimations quantitatives de l’âge des événements géologiques. Elle est basée sur le principe de la désintégration radioactive.

Un élément radioactif, l’élément père (P), est constitué d’un atome instable. Il se désintègre spontanément en libérant une particule riche en énergie et donne naissance à un isotope stable, l’élément fils (F). Les physiciens ont prouvé que la proportion d’atomes radioactifs qui se désintègrent par unité de temps est une constante pour un élément donné, « la constante radioactive (λ) ». Elle est donc une horloge potentielle pour les géologues. La période T (1/λ) correspond au temps nécessaire à la désintégration de la moitié des éléments pères radioactifs. En déterminant le nombre d’éléments pères ou fils restant dans l’échantillon, on peut remonter le temps et calculer l’âge géologique de celui-ci depuis la fermeture du système, c’est à dire depuis que l’échantillon est isolé du milieu extérieur.

Exemple: La datation au carbone14

Voir la vidéo la datation par le carbone 14 sur http://www.cea.fr/multimedia/Pages/videos/culture-scientifique/physique-chimie/datation-carbone-14.aspx

c – Les applications industrielles

• la radiostérilisation du matériel médical et les procédés apparentés comme la stérilisation des emballages de produits pharmaceutiques ou de produits alimentaires.

• l’ionisation des aliments en grande partie pour améliorer leur qualité hygiénique. ہ l’heure actuelle, la plupart des aliments ionisés se présentent sous forme sèche (par exemple, épices, légumes secs) ou sous forme surgelée (par exemple, viande, poissons).

• Elle assure aussi une inhibition de la germination des graines.

• Les rayonnements issus de certains radionucléides servent à mesurer en continu l’épaisseur ou la densité des objets : plus le nombre de rayonnements qui traversent l’équipement ou l’objet est faible, plus celui-ci est épais ou dense. L’étude porte en particulier sur le comportement de produits dans des conteneurs ou des tuyaux. Les industries concernées sont multiples: chimie, pétrole et pétrochimie, fabrication de ciment, d’engrais, de pâte à papier, métallurgie, travaux publics… 
d – Les applications médicales :
Elles regroupent l’ensemble des techniques utilisant les radio-éléments chez l’être humain, que ce soit à des fins diagnostiques ou thérapeutiques:

– La scintigraphie est le procédé de diagnostic par imagerie nucléaire consistant à suivre le cheminement d’un isotope radioactif émetteur de rayons gamma. Elle permet le dépistage précoce des cancers. Les organes ayant la propriété de fixer sélectivement certains éléments chimiques, on choisit pour les examiner un isotope radioactif approprié qui sera suivi «  à la trace » grâce à son rayonnement.  (exemple: on utilise l’iode 131 pour étudier sa fixation dans la glande thyroïde).

Voir la vidéo La scintigraphie sur http://www.cea.fr/multimedia/Pages/videos/culture-scientifique/sante-sciences-du-vivant/scintigraphie.aspx

– La tomographie par émission de positons (TEP) est une modalité d’imagerie médicale qui mesure la distribution tridimensionnelle d’une molécule marquée par un émetteur de positons. L’acquisition est réalisée par un ensemble de détecteurs répartis autour du patient.

Voir la vidéo La tomographie par émission de positons (TEP) sur http://www.cea.fr/multimedia/Pages/videos/culture-scientifique/sante-sciences-du-vivant/tomographie-emission-positons.aspx

– La radiothérapie: il s’agit d’exposer les cellules cancéreuses à des radiations ionisantes qui vont altérer la composition de l’information génétique des cellules cancéreuses.Dès lors, ces cellules meurent au moment où elles entrent en division pour se multiplier.  On utilise un rayonnement ionisant car les cellules d’une tumeur cancéreuse sont des cellules jeunes, qui se reproduisent facilement. Elles sont de ce fait plus sensibles que les tissus voisins à un rayonnement ionisant susceptible de les détruire.

Voir la vidéo La radiothérapie sur http://www.cea.fr/multimedia/Pages/videos/culture-scientifique/sante-sciences-du-vivant/principe-radiotherapie.aspx

e. La recherche scientifique:
On utilise des radioisotopes dans la détection chromatographique de certaines molécules marquées par autoradiographie, pour mettre en évidence la trace et la localisation d’une molécule étudiée.

5 / Les dangers de la pollution nucleaire:

a. Dangers pour la santé:

Les rayonnements radioactifs augmentent les risques de cancer et de malformations embryonnaires par mutations génétiques.

b. Dangers pour l’environnement:

Les polluants radioactifs peuvent rapidement contaminer tous les niveaux trophiques entrainant une diminution de la biodiversité et un déséquilibre des écosystèmes.

 

6 / La protection contre les dangers des rayonnements

Pour se protéger contre toutes les sources de rayonnements, on peut :

• s’éloigner de la source de rayonnements,

• mettre un ou plusieurs écrans entre la source de rayonnements et les personnes (dans l’industrie nucléaire, on utilise des murs de béton, des parois en plomb et des verres spéciaux chargés en plomb),

• réduire la durée de l’exposition aux rayonnements.

7 / Les problématiques des déchets nucléaires

a. Classification des déchets radioactifs:

Ce sont des substances radioactives, pour lesquelles aucune utilisation ultérieure n’est prévue ou envisagée.

Ils sont classés en fonction de deux critères:

– Leur niveau de radioactivité (activité en Becquerel)

– Leur durée de vie (période radioactive)

On peut ainsi différencier les catégories suivantes:

Source : Inventaire national des matières et déchets radioactifs 2019 - ANDRA

b. Gestion des déchets nucléaires:

la création de filières d’élimination des déchets nucléaires constitue un enjeu majeur pour les industriels, les autorités réglementaires, les pouvoirs publics, les communautés locales et la population.

Selon leur nature, les déchets subissent des traitements différents (incinération, calcination, fusion, compactage, cimentation, vitrification, etc.). Puis ils sont enfermés dans un conteneur en acier ou en béton,, non perméable et non oxydable. On aboutit ainsi à un objet appelé « colis » de déchets radioactifs.

Les colis de déchets sont déposés dans des ouvrages souterrains creusés dans un milieu géologique imperméable présentant des caractéristiques favorables en termes de stabilité géologique, d’hydrogéologie, de géochimie et de comportement mécanique et thermique.

Source:http://www.irsn.fr

 

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