Episode rayonnant 2 – GRANDEURS ET MESURES

La radioprotection désigne l'ensemble des mesures prises pour assurer la protection de l'homme et de son environnement contre les effets néfastes des rayonnements ionisants (alpha, bêta, gamma et X).

Tous les rayonnements sont énergétiques, mais cette énergie peut s’exprimer de différentes manières selon ce qu’on cherche à décrire ou mesurer.

De plus, comme ces rayonnements sont beaucoup plus faibles énergétiquement, les unités de mesures en vigueur dans le système des poids et mesures, à savoir le joule, ou l’unité d’énergie utilisée pour payer les factures d’électricité, le kilowatt heure, sont disproportionnées. C’est pourquoi des unités spécifiques ont été créées pour la radioprotection.

L’activité indique le nombre de désintégrations par seconde d’une substance radioactive. L’unité qui lui est rattachée est le Becquerel (Bq). En plus clair, l’activité correspond au nombre de “projectiles” émis par un objet radioactif chaque seconde.

Lorsque les rayonnements rencontrent un obstacle, que ce soit un mur en béton, un individu ou simplement de l’air, ils cèdent leur énergie. Cette énergie transmise à la matière est la dose absorbée (D). Elle correspond à l’énergie des rayonnements cédée à la matière, comme la chaleur du feu sur une grillade.

Dans le Système International (SI), la dose absorbée se mesure en joule par kilogramme. L'unité qui lui est rattachée est le Gray (Gy), en hommage au physicien anglais Harold Gray. Un gray est égal à un joule par kilogramme.
A l’inverse du becquerel, c’est une unité qui est élevée et on utilise souvent les sous-multiples comme le milli (mille fois moins), le micro (un million de fois moins) pour rendre compte de la dose absorbée.

La nocivité d’un produit radioactif dépend en partie de la nature des rayonnements qu’il émet et de son activité.
Rolf Sievert, radiobiologiste suédois, a eu l’idée d’exposer en laboratoire des cellules à une dose absorbée similaire mais avec des rayonnements de nature différente.

Il a constaté que pour les particules alpha il y avait 20 fois plus de décès cellulaires que pour les rayonnements bêta ou gamma à dose égale. Il a donc émis l’hypothèse que la nuisance biologique des rayonnements n’était pas la même. Ainsi que le concept de grandeur de protection est apparu, avec cette notion de dose équivalente, afin d’estimer les effets biologiques des rayonnements dans le domaine des faibles doses.

La dose équivalente (H) correspond ainsi à la dose absorbée multipliée par un facteur de pondération (W_R) lié à la nature des rayonnements, en relation avec leurs nuisances biologiques. Cette grandeur ne se mesure pas, elle s’estime. Elle est liée à un organe donné.

H = D x W_R

L'unité qui lui est rattachée est le Sievert (Sv), en hommage à Rolf Sievert.

Pour les rayonnements bêta, gamma et X ce facteur de pondération est égal à 1 ; pour les alpha il est égal à 20. La "nuisance" biologique est donc vingt fois plus grande, à dose absorbée égale, pour un rayonnement alpha que pour un autre rayonnement.

La dose équivalente concerne un organe donné. Mais si tout le corps est exposé, il faut tenir compte du fait que tous les organes ne sont pas également sensibles aux rayonnements.

Nous devons alors définir une nouvelle grandeur, c’est la dose efficace, notée E. Elle est calculée à partir de la somme des doses équivalentes (H), pondérées cette fois par un facteur de sensibilité des tissus, noté W_T.
Ces valeurs de pondération sont établies selon des jugements d’experts, la Commission Internationale de Protection Radiologique. En fonction de l’évolution des connaissances scientifiques, ces coefficients peuvent changer.

E = Somme (H x W_T)

Et donc d’après la relation page précédente :

E= Somme (D x W_R x W_T)

L'unité de dose efficace est aussi le sievert (Sv).

Imaginons deux objets de même masse (1kg) : un oreiller de plumes et une bille de plomb.
Je vous envoie l’oreiller et la bille : c’est l’émission des rayonnements, venant de l’activité donc des becquerels.
La première fois, sur le pied : Pour l’oreiller vous ne sentirez pas grand-chose ; pour la bille ce sera une sensation plus perceptible.
La deuxième fois, dans l’œil : pour l’oreiller, vous sentirez un peu plus que sur le pied mais cela vous fera rire ; en revanche pour la bille, vous risquez d’avoir mal et de ne pas être content du tout.

Dans cette image, le kilogramme de l’objet reçu correspond à la dose absorbée (énergie reçue), la sensation provoquée dépend de la nature du projectile, donc de sa dose équivalente, et l’impact selon la partie du corps touchée correspond à la dose efficace.

Enfin, on peut appliquer à toutes les grandeurs que nous venons de définir la notion de débit, c'est-à-dire la vitesse à laquelle on reçoit des rayonnements.

Pour faire une analogie, prenons le cas d’un trajet en voiture. La distance parcourue dépend de la vitesse à laquelle vous roulez pendant votre temps de trajet.
Vitesse 130 km/h – durée du trajet : 2 heures, donc distance parcourue : 260 km.

En matière de rayonnements, la dose absorbée correspond au débit de dose pendant le temps d’exposition.
Pour des raisons de compréhension et éviter les confusions avec la grandeur D (dose absorbée) il est d’usage de noter le débit de dose absorbée D avec un petit rond au-dessus Ḋ.

Si le débit de dose absorbée est constant dans l'intervalle de temps t, on peut écrire la relation :

D = Ḋ x t

A titre d’exemple, si le débit de dose absorbée à un endroit est de 0.3 microgray par heure et qu’une personne y séjourne pendant 2 heures, la dose absorbée par l'ensemble de son organisme est 0,6 microgray.

Pour détecter les rayonnements émis par une substance radioactive ou un générateur de rayonnements, il faut un détecteur approprié permettant de mettre en évidence la présence de la radioactivité. Détecter des rayonnements signifie tout d’abord être informé de la présence de rayonnements. Mais la détection peut servir aussi à identifier la nature de ces rayonnements, les dénombrer, mesurer leur énergie.

Les détecteurs se classent selon leur mode de fonctionnement :
- Les détecteurs à impulsion
Un compteur à impulsions fournit une série de signaux correspondant chacun à la mesure d’un rayonnement par le détecteur ; les impulsions sont séparées les unes des autres dans le temps (des coups par seconde par exemple). Il permet d’évaluer la contamination, ou de mesurer des becquerels et donc de définir une activité.
- Les détecteurs en continu
Un autre mode de fonctionnement conduit à mesurer directement la moyenne de nombreuses impulsions de rayonnements avec le détecteur, sans qu’il soit possible de distinguer les événements individuels. On mesure alors un courant électrique et pas des impulsions séparées. Ces détecteurs permettent de faire une mesure du débit de dose absorbée et donc de la dose absorbée (en grays Gy) et par conséquent une estimation de la dose efficace (en sieverts Sv).

A noter que la mesure de la contamination est entre 100 et 1000 fois plus sensible que la mesure de l’irradiation.

Avant toute mesure de terrain, on commence par une mesure de bruit de fond : c’est le rayonnement ambiant naturel, en l’absence de toute source radioactive. Cette référence est indispensable : elle est soustraite aux mesures effectuées sur les objets pour déterminer s’il y a une contamination radioactive. Si la mesure nette (mesure – bruit de fond) est supérieure à un certain seuil, on considère qu’il y a contamination.

Ensuite, pour savoir si la contamination est fixée ou non, on frotte la surface à l’aide d’un tampon (ou papier absorbant) : Si le tampon est radioactif : c’est une contamination non fixée, donc potentiellement mobile. A l’inverse, si le tampon n’est pas radioactif, mais que l’objet émet toujours : il s’agit d’une contamination fixée.

Matériel utilisé pour la mesure de contamination (détecteur à impulsion) :
- Electronique AVIOR-2 avec une sonde grande surface qui mesure les rayonnements alpha et bêta.
- Bruit de fond : 0,00 c/s en alpha et variant entre 4,5 et 6 c/s pour les bêtas.

Matériel utilisé pour la mesure d’irradiation (détecteur en continu) :
- Radeye B20 qui mesure des rayonnements gamma reçus en profondeur (sous 1 cm équivalent aux tissus humains)
- Bruit de fond : H*(10) = 0,14 µSv/h

L’ensemble du meuble a ensuite été décontaminé pour limiter les risques d’exposition et éviter toute propagation de la radioactivité.

Ainsi, en radioprotection, il existe plusieurs grandeurs, toutes utiles et complémentaires. La précision du vocabulaire est essentielle, car les effets biologiques des rayonnements dépendent de nombreux facteurs : type de rayonnement, quantité, durée, localisation, etc.
Ces subtilités sont souvent méconnues du grand public, mais elles sont cruciales pour évaluer et prévenir les risques liés à la radioactivité.

Marc Ammerich est ancien inspecteur nucléaire au commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives, travaillant dans le domaine de la radioprotection depuis plus de quarante ans. Il a mené au Musée Curie plusieurs chantiers de radioprotection sur les objets et les archives contaminés.