Les humains - et tous les autres organismes sur la Terre - bénéficient d'un rayonnement nucléaire d'une manière directe sans le réaliser. Il est facile d'oublier lors de bains de soleil que tout commence par des réactions nucléaires libérant de l'énergie profondément à l'intérieur du Soleil.
La lumière du soleil provient de réactions nucléaires, des substances radioactives se trouvent dans les montagnes et la mer, et au cours de l'activité volcanique, une quantité substantielle de la radioactivité est libérée dans l'atmosphère. Cependant, aucune conséquence grave pour l'homme n'a jamais été observée. (Crédits image : Alasdair Turner)
La chaleur interne de la Terre est causée par le rayonnement des radionucléides naturels. Elle contribue seulement à environ 0,05 W/m2 du flux d'énergie au niveau du sol, une petite fraction du flux d'énergie solaire moyen de 240 W/m2 atteignant la surface de la Terre. Cependant, cette chaleur intérieure conserve une partie du noyau de la Terre liquide, ce qui permet les mouvements des continents (de la tectonique des plaques), qui influent sur l'évolution de la vie.
Sans les réactions nucléaires, nous n’existerions pas.
Lorsque la Terre s'est formée, il y a environ 4,5 milliards d'années, le niveau de radiation était environ trois fois plus élevé que ce qu'il est aujourd'hui. Par conséquent, le rayonnement par lui-même ne tue pas la vie. Cette interprétation est renforcée par le fait que le niveau de rayonnement partout dans le monde varie considérablement, généralement d'un facteur 10, mais dans certaines régions d'un facteur supérieur à 100. Les personnes qui vivent dans ces régions de rayonnement naturel élevé sont-elles en moins bonne santé que le reste d'entre nous, plus sensibles aux infections, ou ont une espérance de vie plus courte? La réponse est non! Ainsi, le niveau de rayonnement naturel peut varier d'un ordre de grandeur sans conséquences apparentes pour les êtres humains.
Carte montrant les niveaux de rayonnement naturel dans plusieurs endroits à travers le monde (Crédits image : S. M. J. Mortazavi/Health Research Foundation, Kyoto, Japan) :Est-ce que le fait que nous soyons insensibles à de telles variations du rayonnement naturel nous dit quelque chose? Réfléchissons un peu.
Vous faut-il du temps pour réagir quand vous voyez une voiture roulant vers vous? Certainement pas, car sans votre réaction rapide, votre vie serait en danger. Votre vue et la transmission très rapide des signaux appropriés à votre cerveau sont d'une importance capitale pour votre survie. La même chose peut être dite au sujet de nos sens de l'ouïe, de l'odorat ou du goût (sinon, nous pourrions par exemple manger de la nourriture avariée et tomber malade).
Lorsque la température varie de 20% à partir de 300K (la soi-disant «température ambiante»), nous sommes soumis soit au gel ou à la chaleur excessive. Les deux menacent notre vie, nous devons donc être mis en garde contre de telles variations de température. Par conséquent, l'évolution a équipé les humains de la capacité à détecter de très faibles variations de température, de l'ordre d'environ 2 degrés, à savoir moins de 1% de la température ambiante.
Le niveau de rayonnement naturel peut varier non pas de 20% mais d'environ 1000% et ne pas influencer notre vie. Pourquoi ne sommes-nous pas équipés d'un sens accordé à un rayonnement nucléaire? Le fait que nous ne nous sentions pas ce rayonnement, de ne pas le sentir du tout, pourrait être la meilleure indication que dans des conditions normales les radiations nucléaires en tant que telles ne sont pas nuisibles. D'autre part, pourquoi la radiation nucléaire, juste une forme d'énergie, resterait dangereuse dans le processus d'évolution, lorsque toutes les autres formes sont utilisées dans le développement des organismes?
Mais peut-être que le rayonnement naturel et le rayonnement artificiel ont un impact différent sur nous? Peut-être que si un certain niveau (seuil) de rayonnement est passé, le rayonnement commence à produire des dommages qui ne peuvent pas être tolérés par nos organismes? La réponse à la première question est simple : le rayonnement agit toujours de la même manière et le résultat dépend du type de rayonnement, de la dose et du temps d'exposition. Les effets dépendent aussi de l'âge, du sexe, de l'état de santé général, etc. La deuxième question est beaucoup plus difficile à répondre.
En étudiant les réactions nucléaires qui se produisent naturellement autour de nous, les scientifiques ont été en mesure de développer une technologie qui utilise ces processus de manière à ce qu'ils nous profitent.
Les rayons X sont les rayonnements ionisants les plus fréquemment utilisés dans le diagnostic. Ils ont été utilisés en médecine dans l'année de leur découverte accidentelle en 1896 par Konrad Röntgen. Ils sont employés comme outil d'examen, mais également en thérapie. Les images par rayons X permettent aux médecins de voir ce qui se passe à l'intérieur du corps humain, sans avoir à l'ouvrir. Cependant, les rayons X comportent certains risques et on ne devrait pas faire de radios sur une base régulière, ils ne devraient pas non plus être utilisés sur les femmes enceintes.
Le rayonnement nucléaire à hautes doses est utilisé dans le traitement du cancer. Dans le monde entier, plus de 5 millions de ces traitements sont effectués chaque année, aidant les personnes gravement malades. Une multitude de procédures de diagnostic, environ 30 millions par an, sont réalisées en utilisant des substances radioactives. Si l'on ajoute quelque 2 milliards d'examens diagnostiques par rayons X, l'échelle d'utilisation des rayonnements ionisants est assez impressionnante.
De plus, êtes-vous conscient que toutes les interventions chirurgicales qui nécessitent des conditions aseptiques bénéficient beaucoup de la stérilisation par irradiation des instruments? Seringues, aiguilles, scalpels... Tout le matériel chirurgical doit être complètement stérile afin que le patient ne soit pas exposé à des germes dangereux. Mais qu'en est-il des produits d'usage quotidien? Utilisez-vous des crèmes de beauté? Vous n'aimeriez certainement pas avoir une crème qui est dangereuse pour votre peau. Le processus d' hygiénisation de ces produits passe par l'irradiation de la crème avant son emballage et la vente au détail.
Est-ce que nous voulons de la nourriture qui dure plus longtemps ou des graines qui produisent des récoltes plus importantes? C'est ce que fait l'irradiation. Au lieu de produits chimiques, l'irradiation élimine les microbes infectieux (la salmonelle, par exemple), et en outre ne contamine pas les aliments comme les produits chimiques le font.
Les insectes dangereux peuvent être combattus en irradiant une partie de leur population afin de les rendre stériles. Ces insectes peuvent se mélanger avec les insectes non irradiés, mais ils sont incapables de se reproduire. Cela permet de maintenir leur population à des niveaux plus gérables.Si vous buvez du lait, vous devez probablement savoir que les récipients en plastique utilisés pour l'emballage du lait ont sans doute été irradiés par rayons gamma (le lait lui-même est traité différemment).
Les centrales nucléaires sont une autre application très importante des réactions nucléaires. Les centrales électriques traditionnelles - par combustion du charbon ou du pétrole - produisent beaucoup de smog, ce qui est très nocif pour l'environnement. Elles utilisent des combustibles fossiles, qui sont rapidement épuisés et, en outre, leur extraction de la croûte terrestre est nuisible pour l'environnement. L'utilisation de l'énergie nucléaire peut réduire considérablement la quantité de gaz à effet de serre libéré dans l'atmosphère, et beaucoup moins de carburant est nécessaire pour obtenir la même quantité d'énergie.
En archéologie, la technologie nucléaire est utilisée pour dater des objets (par exemple au moyen de 14C). Dans l'art, on peut utiliser un rayonnement pour dire si oui ou non les objets sont réels ou forgés. La radiothérapie peut aussi nous dire la composition chimique d'une substance inconnue : les rayonnements excitent les atomes dans la substance et les forcent à émettre un rayonnement électromagnétique typique pour un atome donné, indiquant ainsi sa présence.
Image de droite : accélérateur de spectrométrie de masse à l'université d'Oxford.Ce ne sont que quelques-unes des utilisations pratiques des réactions nucléaires, sans mentionner les applications dans la recherche scientifique. Sans doute, l'humanité a beaucoup bénéficié du rayonnement nucléaire.
Aussi bénéfique que soit le rayonnement nucléaire, nous avons peur de lui, et nous avons de bonnes raisons pour cela. Nous connaissons tous l'expérience traumatisante d'Hiroshima et de Nagasaki - les deux villes japonaises qui ont été attaquées avec des armes atomiques. Dans un temps extrêmement court, de vastes portions de ville ont été détruites et environ 200 000 personnes ont perdu leur vie. Certains des survivants ont contracté des cancers qui ne seraient probablement pas survenus sans la radiation nucléaire libérée par les bombes. Dans Hiroshima seul, entre 1950 et 2000, 46% des décès dus à la leucémie et 11% des décès dus à des cancers solides ont été causés par le rayonnement des bombes.
Bien sûr, ce sont des exemples où la technologie nucléaire a été délibérément utilisée comme une arme. Cependant, des accidents peuvent parfois se produire dans des conditions contrôlées "sûres". L'accident de Tchernobyl en Avril 1986 et la catastrophe de Fukushima Daiichi en Mars 2011 sont des exemples qui donnent à réfléchir.
Explosion à la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi - 12 mars 2011 (source image : NTV/Reuters).Les dangers de la technologie nucléaire sont souvent dépeints dans les médias. Nous lisons souvent, entendons ou voyons des nouvelles effrayantes sur le rayonnement nucléaire. La plupart d'entre nous ont appris que le rayonnement nucléaire est quelque chose que nous devrions éviter totalement, et la crainte du rayonnement est renforcée par le fait que nous ne voyons pas, ne sentons pas ou n'entendons pas le rayonnement. Mais à quel point nos craintes sont-elles vraiment fondées? Faut-il avoir peur, ou cela devient-il une phobie irrationnelle? Nous bénéficions de l'énergie nucléaire par des centaines de façons et les restrictions de sécurité pour les installations nucléaires et les centrales électriques sont très strictes et bien mises à jour. Les accidents sont très rares.
Si l'on considère le risque lié aux rayonnements ionisants, il est raisonnable de réfléchir d'abord aux risques qui sont plus familiers. Presque toutes les activités présentent un certain risque, parfois même mortel.
Les risques que nous assumons dépendent également des endroits où nous travaillons. En travaillant un an dans un commerce, vous rencontrez 10 microrisques, dans une usine : jusqu'à 100, dans le secteur des transports : 400, dans une mine de charbon : 800, et sur une plate-forme pétrolière en mer : 1800.
Comme nous l'avons vu, le risque est une partie inévitable de notre activité quotidienne. Cependant, nous sommes tellement habitués à la plupart des facteurs de risque que, généralement, nous ne nous souvenons pas ou nous acceptons tout simplement le risque. Parfois, beaucoup de gens vont faire des choses qu'ils savent à risque, mais ils choisissent de ne pas le considérer. Par exemple, les limites de vitesse existent pour la sécurité et encore beaucoup de gens choisissent d'accélérer même si ils savent que c'est dangereux.
Il peut être donc raisonnable de considérer aussi ce que nous pouvons appeler un risque acceptable. Ceci est, par définition, une notion très subjective, puisque différentes personnes appréhenderont différemment de ce qui est acceptable. Leurs situations changent aussi leurs opinions. Parfois, les personnes qui vivent loin d'une centrale nucléaire acceptent le risque lié à une telle centrale, tandis que ceux vivant à proximité du site non. Les personnes qui travaillent dans l'usine auront un point de vue tout à fait différent puisque plus la centrale est proche, plus il est facile de se rendre au travail.
Nous devrions aussi être conscients du fait que, pour le grand public, les calculs de risque en fonction de certains facteurs statistiques ne sont jamais pleinement convaincants. Les gens sont moins intéressés par les valeurs moyennes au niveau mondial, mais par leur sécurité au niveau local. Et dans le cas des installations nucléaires et d'une éventuelle attaque terroriste - aucun calcul ne peut être vraiment utile. Tout ce que nous pouvons dire est que, dans des circonstances normales, les normes de sécurité en matière de technologie nucléaire rendent le risque nucléaire beaucoup plus faible que le risque lié à toute autre technologie.
Paracelse, médecin et philosophe allemand qui vécu au 16ème siècle, en étudiant les effets de divers produits chimiques sur la santé, a tiré la conclusion que c'est la dose qui fait le poison.
Pour les procédures médicales, lorsque le rayonnement est utilisé à des fins de diagnostic (comme les images à rayons X), la dose est limitée à un niveau de sécurité qui permet encore une bonne image de nos organes. Cependant, en radiothérapie, le seul objectif du médecin est de lutter contre le cancer et la dose utilisée peut être très élevée, bien ciblée sur la tumeur, de sorte qu'il ne présente pas de danger grave pour les parties saines de notre organisme. Les complications apparaissant après un tel traitement ne sont pas rares, mais sont le plus souvent curables.
Voici un tableau montrant les microrisques associés à certaines procédures de diagnostic médical:Procédure médicale |
Dose effective typique [mSv] |
Risque [microrisque] |
Examen d'un membre aux rayons X | 0.01 | <0.5 |
Radiographie dentaire | 0.01 | <0.05 |
Radiographie thoracique | 0.02/film | 1 |
Radiographie de la tête | 0.07 | 3.5 |
Tomographie de la tête | 2 | 100 |
Tomographie thoracique | 8 | 400 |
Scintigraphie osseuse utilisant le Tc-99m | 4 | 200 |
Etudes cardiaques dynamiques utilisant le Tc-99m | 6 | 330 |
Comme on peut le voir, le risque relativement élevé d'une tomographie thoracique n'est pas plus grand que le risque de travailler un an dans l'industrie du transport. L'utilisation de ces procédures limite considérablement les effets négatifs possibles dans presque tous les cas et, de plus, habituellement, les médecins les utilisent seulement en dernier recours.
Quantité | Unité | Définition | Notes |
Dose absorbée (D) | gray (Gy) |
L'énergie absorbée dans le milieu à partir de la radiation | 1 Gy = 1 J/kg |
Dose équivalente(H) | sievert (Sv) | H = Q × D, où D est la dose absorbée et Q est l'efficacité biologique relative (EBR). | La dose équivalente ne peut pas être mesurée directement. Par exemple, l'EBR correspond à 1 pour un rayonnement gamma, de 5 à 10 pour les neutrons et 20 pour le rayonnement alpha. |
Dose effective (E) | sievert (Sv) | La somme des tissus pondérée des doses équivalentes dans tous les tissus et organes spécifiques de l'organisme. | Prend en compte la sensibilité au rayonnement de divers tissus du corps. 1 Sv = 1 J/kg |
Activité | becquerel (Bq) | Nombre de désintégrations par seconde | Cette unité est indépendante du type de rayonnement ou de son énergie. 1 Bq = 1 s-1 |
A partir d'études sur les survivants d'Hiroshima et de Nagasaki, on estime l'excès de risque de contracter un cancer de 5% par Sv. Toutefois, étant donné qu'environ 20% des décès humains sont dus à des cancers, notre risque normal de contracter un cancer mortel est déjà 200 000 microrisques. Cela signifie que dans une population de 10000 personnes irradiées avec une dose de 1 Sv, 500 cas de cancer apparaissent en plus des 2000 cancers dus à d'autres raisons.
Les populations vivant dans les régions avec une radiation naturellement élevée sont étudiées afin d'évaluer les effets des petites doses. Une hypothèse est que les effets du rayonnement sur la santé sont linéairement dépendants de la dose, même aux doses les plus faibles. Ceci est connu comme l'hypothèse linéaire sans seuil (LSS). Son grand avantage est la simplicité et la facilité de calcul des effets attendus. Cependant, après l'accident de Tchernobyl, l'estimation LSS du nombre de cancers supplémentaires aux Etats-Unis en raison des retombées nucléaires de Tchernobyl était complètement fausse et aucun cancer supplémentaire due à cet événement ne sont jamais apparu aux Etats-Unis. Par conséquent, dans les régions à faible dose, soit le facteur de risque de 5% par Sv est fortement surestimée ou, en général, l'hypothèse LSS doit être rejetée.Par exemple, avaler 100 comprimés de paracétamol à la fois entrainerait probablement la mort. Ensuite, selon l'hypothèse LSS, le facteur de risque lié à chaque comprimé est de 0,01. Est-ce que cela signifie que si 100 personnes prennent juste un paracétamol, l'une d'entre elles va mourir? C'est peu probable, ce qui suggère que la relation est non-linéaire dans ce cas.
La relation effet-dose est très susceptible d'être également non-linéaire.Les effets des rayonnements sont souvent décrits comme des effets stochastiques ou déterministes. Une meilleure répartition serait entre des effets précoces et tardifs, mais ce n'est pas la terminologie classique.
Les effets déterministes sont simples à évaluer : lorsque la dose de rayonnement dépasse une certaine valeur de seuil, un effet néfaste (des brûlures de la peau ou la nécrose, par exemple) apparaît. Ils impliquent des doses élevées, et sont assez rares. Les effets stochastiques sont une conséquence d'un "impact" purement statistique d'une cellule vivante par une particule ionisante (alpha, bêta ou gamma) et la création d'ions chimiques dangereux connus comme radicaux libres. Ces radicaux attaquent l'ADN et, en conséquence, la cellule peut commencer à se diviser et se multiplier d'une manière inappropriée. En d'autres termes, la cellule peut muter et devenir une cellule cancéreuse. Selon ce raisonnement, même une dose de rayonnement minuscule a une chance d'être désastreuse. Et si les effets sont statistiques alors ils peuvent augmenter linéairement avec la dose.
Modèles déterministes vs. stochastiques | |
Modèles déterministes | Le résultat du modèle est entièrement déterminé par les valeurs des paramètres et des conditions initiales. |
Modèles stochastiques | Possède un certain hasard inhérent. Le même ensemble de valeurs de paramètres et de conditions initiales conduira à un ensemble de différents résultats. |
Cependant, environ 15000 particules traversent nos corps chaque seconde. Au cours d'une seule radiographie médicale, nous sommes exposés à 1011 rayons gamma. Puis, sur la base de l'hypothèse LSS, le risque de mutation maligne doit être très, très faible à environ 1 particule par 30 000 000 000 000 000 (30 quadrillions). En 70 ans de vie la chance résultante de contracter un cancer à cause de ce rayonnement peut être estimée à seulement 1 sur 900.
Notre système immunitaire nous protège efficacement contre de nombreuses maladies, et en prenant certains médicaments (vaccins par exemple), nous savons qu'il peut être activé et être prêt pour la lutte contre l'ennemi une fois qu'il apparaît dans notre corps. Chez les souris irradiées avec une dose relativement faible d'au plus 200 mSv, le taux d'anticorps a augmenté considérablement et diminué seulement après des doses très importantes. En fait, les souris irradiées avec une dose de 0,5 à 1 Sv présentent un plus petit nombre de cancers que la population de souris non irradiées. L'irradiation à faible dose est souvent utilisée pour le traitement du cancer et les doses de rayonnement élevé utilisées en thérapie du cancer sont mieux tolérées quand de faible doses protectrices sont utilisées avant.
Environ un million de mutations se produisent naturellement dans chaque cellule tous les jours! Environ un dixième cause des dommages à l'ADN double brin. Pour survivre, notre corps a un système de réparation naturelle. Toutefois, si le dommage a lieu très rapidement et sur une grande échelle, il peut ne pas être possible de réparer rapidement ou assez bien. Ceci est la raison pour laquelle les effets des rayonnements ionisants ne dépendent pas seulement de la dose, mais également du débit de dose, ce qui suggère une réponse non linéaire.
Bien qu'ayant étudié les effets des rayonnements pendant une longue période, nous ne disposons toujours pas d'un modèle de risque fiable. À l'heure actuelle, de nombreux modèles de risque utilisent un certain nombre de paramètres qui sont ajustés à partir d'expériences, mais dont la puissance statistique n'est pas grande. Par conséquent, nous devons aussi compter sur le bon sens, qui découle de l'observation et non des spéculations peu fiables.
Ce fut la réponse de personnes dont on pourrait attendre qu'elles soient mieux informées, critiques et ayant souvent une expertise scientifique. Ainsi, que pouvons-nous attendre dans le cas du grand public dont l'opinion est principalement formée par les médias et la plupart des médias exagèrent souvent les risques réels. Voilà pourquoi les gens qui s'opposent souvent aux centrales nucléaires en raison de problèmes de sécurité considéreront le risque d'utiliser les rayons X comme étant inférieur à ce qu'il est vraiment.
Cela signifie que, dans une population d'un million de personnes irradiées avec une dose de 1 Sv, on s'attend à 50000 décès en excès. Si la dose est réduite à 1 mSv, le nombre de décès est réduit à 50, ce qui équivaut à 50 microrisques. Nous devons souligner que la cohérence de notre raisonnement nécessite une distribution instantanée de la dose, puisque les bases de l'hypothèse LSS sont les effets des explosions atomiques au Japon, qui se sont produits pendant environ 10-8 seconde.
Entre-temps, la dose annuelle excédentaire de 1 mSv est à l'origine des coûts économiques réels. Pour les contribuables américains, le coût est estimé à 2,5 milliards de dollars par an! Cela pourrait être considérablement réduit si la limite de dose de rayonnement était augmenté d'un facteur 10, conformément au niveau typique du rayonnement naturel à l'échelle mondiale.
Nous sommes Tout le temps exposés à un rayonnement nucléaire naturel, tandis que l'humanité produit un rayonnement artificiellement avec d'énormes avantages, mais présentant également certains risques. Les avantages comprennent l'énergie nucléaire, les utilisations dans la stérilisation et dans les procédures médicales qui aident à sauver des millions de personnes.
Il est à espérer que l'opinion des gouvernements et l'opinion publique sur la technologie nucléaire va évoluer, puisque l'énergie alternative est une question très urgente et que l'énergie nucléaire est sans doute le moyen le plus sûr, le plus propre et le plus efficace de générer de grandes quantités d'électricité. Si les décisions étaient prises pour des motifs purement scientifiques, sans l'influence des facteurs politiques ou économiques, il y a une chance que, dans le futur, le rayonnement nucléaire serait traité sur un pied d'égalité avec les autres risques. Plus les risques sont élevés, plus nous avons peur. Mais plus nous avons peur, plus les efforts devraient être consacrés à comprendre ce dont nous avons peur et si nos craintes sont fondées.