III. Avantages et risques de la fusion

A/ La radioactivité

* Dans la nature, la plupart des éléments sont stables, mais certains possède des protons ou neutrons en excés et parfois même les deux : il sont  alors instables, et ne peuvent rester dans cet état, c'est pourquoi il se désintègrent .

* La première définition de radioactivité a était énoncé par Marie Curie : « phénomène physique naturel au cours duquel des atomes se désintègrent pour produire de l'énergie et des rayonnements».

Cette désintégration s'accompagne de différentes émissions :

Radioactivité alpha

Le rayonnement alpha est constitué d'un noyau d'hélium comprenant 2 protons et 2 neutrons. Il porte 2 charges positives. Des atomes dont les noyaux radioactifs sont trop chargés en protons et en neutrons émettent souvent un rayonnement alpha. Ils se transforment en un autre élément chimique dont le noyau est plus léger.

Radioactivité bêta moins: 

 Le rayonnement bêta moins est constitué d'un électron chargé négativement. Certains atomes dont les noyaux sont trop chargés en neutrons émettent un rayonnement bêta moins. Un des neutrons au sein du noyau se désintègre en un proton plus un électron, ce dernier étant éjecté. Ainsi l'atome s'est transformé en un autre élément chimique. Par exemple, le thorium 234 est radioactif bêta moins et se transforme en protactinium 234.

Radioactivité bêta plus

Le rayonnement bêta plus est constitué d'un positon (particule de même masse que l'électron mais chargée positivement). Certains atomes dont les noyaux sont trop chargés en protons émettent un rayonnement bêta plus. Un des protons au sein du noyau se désintègre en un neutron plus un positon, ce dernier étant éjecté. Ainsi l'atome s'est transformé en un autre élément chimique. 

La radioactivité gamma

Le rayonnement gamma est une onde électromagnétique comme la lumière visible ou les rayons X mais plus énergétique. Ce rayonnement suit souvent une désintégration alpha ou bêta. Après émission de la particule alpha ou bêta, le noyau est encore excité car ses protons et ses neutrons n'ont pas trouvé leur équilibre. Il se libère alors rapidement d'un trop-plein d'énergie par émission d'un rayonnement gamma. C'est la radioactivité gamma.  De plus, ces émissions de particules s'accompagne de rayons gamma (onde électromagnétique très énergétique) .

* Un élément radioactif (par exemple, l'iode 131) perd petit à petit sa radioactivité : plus le temps passe, plus de noyaux serons désintégrés: c'est la demi-vie. Pour notre exemple, elle est de 8 jours, donc au bout de 8 jours, la moitié des noyaux se sera transformée, puis 8 jours plus tard il ne restera qu'un quart des noyaux, puis encore 8 jours plus tard il n'en restera qu'un huitième, ect... 

La demi-vie varie selon les éléments : de 4,5 milliard d'annés pour l'uranium 238 à quelques millisecondes pour le Roentgenium.

 * La radioactivité se mesure en becquerels (Bq). Un becquerel correspond à une désintégration par seconde.

On utilise également le gray (Gy), pour mesurer la quantité de rayonnement absorbés.

 Mais aussi le sievert (Sv) , avec les effets biologiques des rayonnements sur un organisme exposé (selon sa nature et les organes exposés) se mesurent en sievert et s'expriment également en "équivalent de dose".

Et enfin avec le curie (Ci) , pour détecter et mesurer les rayonnements émis par les isotopes radioactifs . 

*La Radioactivité : d'où provient-t-elle ? 

 On estime qu'environ 77% de la radioactivité reçue par un homme est d'origine naturelle.

* Pour un an, (source OMS)

** Le Sievert (Sv) est une unité mesurant les effet biologiques des rayonnements sur un organisme exposé. Un millisievert (mSv) est égal à 0.001 Sv

*** Industries minières diverses, retombées atmosphériques des essais nucléaires militaires, instruments de mesure...

Les effets de la radioactivité

     Jusqu'à présent, les expériences à propos des faibles doses ont été peu concluantes. La radioactivité étant si proche que celle présente naturelement, le nombre de cancers ne permet pas de dire s'il aurait été moins important pour une radioactivité moindre.

     Pour les expositions breves, seuls les morts survenus immédidatement, quelques semaines ou quelques mois après peuvent être réellement attribuées à ces expositions. Par ailleurs, pour les effets de radiations, les éxperience on été menée sur des souris car la sensibilté des cellules des souris sont sensiblement la même que celle de l'homme.

    La plupart des lésions produites au niveau de l'ADN sont réparées par la cellule, cependant la dose de radiations et le débit jouent un rôle important : si l'organisme reçoit une forte dose en peu de temps, il y a un risque de saturation de mécanismes de réparation. C'est pourquoi à dose équivalente, une réception étalée sur le temps aura moins d'effet qu'en une fois.

Les effets sur les tissus vivants

shéma partiel d'une molécule d'ADN

    Au niveau cellulaire, la lésion de l'ADN peut provoquer la modification de l'information génétique ou mutation, ou bien une perte de viabilité (mort cellulaire). La plupart des lésions produites au niveau de l'ADN sont réparées par la cellule, cependant la dose de radiations et le débit jouent un rôle important : si l'organisme reçoit une forte dose en peu de temps, il y a un risque de saturation de mécanismes de réparation. C'est pourquoi à dose équivalente, une réception étalée sur le temps aura moins d'effet qu'en une fois.

A dose égale de rayonnements absorbés, les cellules ont une sensibilité différente : plus elles se divisent, plus elles sont radiosensible, c'est le cas de la moelle osseuse, des cellules reproductrices et du tissu embryonnaire.

Les effets à seuil

    Ils se manifestent dans un délai qui va de quelques heures à plusieurs mois après l'irradiation. Leur délai d'apparition correspond à la  durée de vie de la cellule en question. Cette durée est très variable d'un type cellulaire à l'autre : 15 jours pour la peau, 74 jours pour les spermatozoïdes.

     Ce sont des effets à seuil, c'est-à-dire qu'ils ne surviennent qu'au-dessus d'une certaine dose. Plus la dose est forte, plus la zone touchée est étendue, plus les effets sont graves. On distingue les irradiations partielles touchant une partie du corps seulement, et  les irradiations globales, affectant le corps entier.

     Dans le cas d'une irradiation globale, la zone la plus fragile est la moelle osseuse, où se forment les cellules sanguines. Aucun effet n'est constaté pour un équivalent de dose inférieur à 0,3 Sv. De 0,3 à 1 Sv, il y a diminution temporaire du nombre des lymphocytes, ce nombre augmente spontanément; aucun traitement n'est donc nécessaire. Pour des équivalents de dose compris entre 1 et 2 Sv, des signes cliniques se manifestent (vomissements). L'hospitalisation est nécessaire ; la guérison survient spontanément. Au-delà de 2 Sv, un traitement spécial est nécéssaire dans un centre spécialisé.

     Les rayonnements peuvent avoir un effet immunodépresseur (vulnérabilité accrue aux infections) si l'équivalent de dose dépasse 1 Sv en irradiation unique. La dose de 4.5 Sv en une seule fois est dites " dose létale 50 ", et entraîne 50% de décès en l'absence de traitement. Dans certains traitements par radiothérapie, où les conditions trés encadré, on administre des équivalents de dose " corps entier " beaucoup plus élevés, allant jusqu'à 10 Sv.

     En matière d'irradiation partielle, les tissus les plus sensibles sont les tissus reproducteurs, le cristallin(lentille des yeux) et la peau.

     L'irradiation des organes génitaux peut entraîner chez l'homme une stérilité temporaire lors d'une irradiation comprise entre 2 et 6 Sv ou définitive si elle dépasse 8 Sv. Chez la femme, une telle irradiation provoque la stérilité est en fonction inverse de son âge (12 Sv à 20 ans ; 5 Sv à 45 ans).

     La cataracte (opacification du cristallin) s'observe pour des doses d'environ 0,8 Gy pour une irradiation par neutrons, de 4 Gy pour une irradiation X ou γ. Son délai d'apparition est de 1 à 10 ans ; il varie en fonction inverse de la dose reçue.

     L'exposition aux rayonnements de l'embryon ou du fœtus peut entraîner des effets tératogènes : malformations (squelette, oeil, cerveau),des troubles de croissance (diminution de la taille, du poids, du périmètre crânien), ou des  retards mentaux (aucun effet constaté pour des doses inférieures à 0,12 Gy).

Les cancers

schéma de la prolifération d'un cancer

Tout d'abord, rappelons ce qu'est un cancer : c'est une division cellulaire anormale, rapide et anarchique, indépendante du fonctionnement de l'organisme. Cette division et provoquée par une mutation génétique.     

     Les cancers radio-induits sont identiques aux autres formes de cancer. Les effets cancérigènes des rayonnements ionisants  ont cependant plusieurs caracteristiques : 

- la probabilité de certains cancers augmente en fonction de l'exposition à de fortes doses de rayonnements 

- la fréquence des cancers est très variable d'un tissu à l'autre pour une même dose de radiation. 

- les cancers radio-induits apparaissent plusieurs années plus tard  (5 à 10 ans pour les leucémies, jusqu'à 40 ans pour d'autres cancers) ;

-la fréquence des cancers varie en fonction de la dose reçue. On ne peut déceler un effet cancérogène que pour des doses élevées de l'ordre de 1 Gy. Au-delà, il y a proportionnalité entre la puissance de la dose et sa fréquence d'exposition. En-dessous de 1 Gy,on ne peut pas prouver de différences significatives entre une personne irradiée et non irradiée. Pour les faibles doses de rayonnement, on admet par prudence que toute dose comporte un risque, qui est proportionnel à la dose reçue.

L'organisme peut faire face aux riques de cancers :

    En effet, un gène present dans le chromosomes 17 code une protéine appelée P53 . Lors d'une mutation génétique, cette protéine est lâchée au niveau des cellules mutantes et a pour but de permettre la réparation de l'ADN. Pour cela, elle stope momentanément la mitose au moment de l'interphase et commence les réparations  de la molécule d'ADN . si le les dégâts sont irréversibles, la P53 ordonne alors à la cellule mutante de s'auto-détruire.

les utilisation de la radioactivité

 Soigner, connaître le vivant

Depuis 1934, la radioactivité artificielle permet de créer à volonté des atomes radioactifs. Cette découverte a ouvert de nouvelles possibilités d'analyses et de traitements médicaux :

• diagnostics des cancers par le biais de scintigraphies et tomographies, autorisant des examens poussés d'organes en fonctionnement (cœur, cerveau, poumons, os, reins) ;
• traitement des tumeurs grâce à la radiothérapie, qui emploie les rayonnements des radionucléides pour détruire les cellules cancéreuses.

La radioactivité fait aussi progresser la recherche scientifique, notamment par l'usage des "traceurs". En suivant le parcours de ces radionucléides injectés dans l'organisme, on comprend le métabolisme des organes et on teste de nouveaux médicaments.

Explorer la Terre et son histoire

Les radionucléides possèdent de nombreux usages en géologie, océanographie ou climatologie. Ils ont notamment permis de déterminer l'âge de la Terre et de découvrir l'histoire du climat. La radioactivité est aussi un moyen de prévoir les éruptions volcaniques et les séismes, et de suivre à la trace les courants océaniques.

Produire de l'énergie nucléaire

Aujourd'hui, les trois-quarts de l'électricité française sont produits dans des centrales nucléaires qui fonctionnent grâce à la particularité de certains atomes radioactifs. Ces derniers dégagent une forte chaleur en se désintégrant. C'est le cas de l'uranium et du plutonium, utilisés comme combustibles dans nos centrales, qui se désintègrent par fission nucléaire. Découvert en 1938, ce principe fournit une énergie abondante à partir d'une petite quantité de combustible.

Protéger le patrimoine

La muséographie exploite les propriétés des atomes radioactifs pour identifier, dater et traiter toutes sortes de pièces et de vestiges. Elle permet entre autres :

• l'authentification des œuvres et de leur provenance,
• la datation des pièces grâce au carbone 14 et à la thermoluminescence,
• la consolidation des objets fragiles par irradiation,
• l'identification des techniques et matériaux caractérisant les œuvres,
• la désinfection des sites ou pièces attaqués par des parasites.

Les usages agricoles et industriels

Dans les secteurs agricole et agroalimentaire, la radioactivité est utilisée par exemple pour la protection des cultures contre les insectes ou la conservation des aliments. Dans l'industrie, on l'utilise pour des tâches variées (contrôle des soudures, détection de fuites ou d'incendies, etc.).

Les usages militaires 

L'utilisation militaire est multiples , aves plusieurs types de bombes , nous pouvons en citer 3 pour exemple :

Arme thermonucléaire

Engin explosif qui libère de l'énergie par une réaction de fusion. Un dispositif de fission est utilisé comme amorce pour provoquer les températures nécessaires au déclenchement du processus de fusion. Les armes thermonucléaires sont parfois appelées bombes à hydrogène, armes de fission-fusion ou armes nucléaires de deuxième génération.

Bombe à fission-fusion-fission

Arme thermonucléaire dont l'explosion se produit en trois phases. Une réaction de fission est enclenchée; elle provoque ensuite une réaction de fusion qui déclenche une nouvelle réaction de fission. Les bombes à fission-fusion-fission sont les armes nucléaires les plus puissantes.

Bombe atomique

Engin explosif qui libère de l'énergie au moyen d'une fission nucléaire. Il comporte un étage primaire contenant un détonateur et assez de matières fissiles pour créer une réaction en chaîne. Les armes thermonucléaires utilisent des explosifs atomiques dans l'étage primaire. Les bombes atomiques sont parfois appelées armes de fission ou armes de première génération.