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7 . Les utilisations de la
radioactivité
• La Recherche, les traceurs radioactifs,
• Les diagnostics en médecine,
• Les traitements médicaux,
• L’industrie,
• La production d’énergie…
1
Une image de scanner
Une image IRM
La main de
Mme Röntgen
aux Rayons X
RAMSES 2 nouvelle jeunesse
sous rayonnements Nucléart
2
Pourquoi cet outil performant
• On mesure au niveau de l’atome à l’échelle
du 10 000 ième de mètre ou Angström 1/10 nanomètre.
. Les traitements électroniques ont des vitesses et capacités
d’ analyse en conséquence.
. On peut « voir » à travers de la matière opaque.
. On peut identifier et quantifier un « isotope » parmi de
nombreux autres par ses rayonnements spécifiques.
3
• Deux isotopes d’un même élément ont les mêmes propriétés
chimiques mais n’ont pas les mêmes propriétés physiques;
chacun est identifiable par ses caractéristiques nucléaires
et peut ainsi servir de traceur.
Exemple: l’hydrogène stable et le tritium radioactif ont les
mêmes comportements chimiques et biologiques: le tritium
est un « traceur » pour les molécules hydrogénées
composées essentielles de la Vie.
• Les rayonnements font réagir les plaques photographiques.
• Les cellules de la vie à grande vitesse de division telles que
les cellules malignes des tumeurs cancéreuses sont plus
sensibles aux rayonnements ionisants. Elles peuvent être
détectées et peuvent de ce fait être détruites
préférentiellement .
• Les rayonnements ionisants à très fortes doses (plus de 10
000 Gray) stérilisent et durcissent certains matériaux par
exemple le bois, stérilisent les instruments chirurgicaux. 4
La recherche
La sensibilité de détection, la capacité
d’identification des éléments isotopes, les
caractéristiques chimiques identiques des
isotopes d’un même élément chimique,
confèrent à la radioactivité des performances
inégalées pour les recherches dans tous les
domaines de la science. Les isotopes
radioactifs sont de remarquables traceurs.
5
• Recherche en biochimie, pharmacie,
radiochimie…
La vie est à base de Carbone, d’Azote, d’Hydrogène,
d’Oxygène; on utilise leurs isotopes radioactifs pour
les recherches biologiques et pharmaceutiques.
Par exemple le tritium H3 peut marquer » toutes les
molécules organiques CnHn…et on peut ainsi suivre
et quantifier toutes les transformations chimiques en
mesurant le tritium dans les produits initiaux et les
produits résultants.
Il en est de même pour le Carbone (C14), l’Azote
(N14/15 ) en paléo agriculture, l’Oxygène (variation
de la composition isotopique de l’oxygène naturel
dans les glaces 016/017/018 ) en paléo climatologie.
6
• Paléontologie, géologie, volcanologie,
climatologie
Le dosage des isotopes de l’Uranium 238, du
Potassium 40.. dont l’abondance isotopique a
varié sur des millions ou milliards d ’années
permettent aussi des datations.
L’analyse isotopique permet de préciser l’âge
de volcans (volcanisme hawaïen..), l’origine
de la lave de la même zone du manteau du
globe par les rapports
Sr 87/Sr 86
Nd 143/Nd 144
Pb 206/Pb 204
Pb 207/Pb204
Pb 208/Pb 204
7
Quelques cm par
an
8
Chaines d’iles volcaniques par points chauds dans
l’océan pacifique
9
• La datation par le carbone 14:
Le carbone du bois est prélevé dans l’atmosphère par l’assimilation
du CO2 durant la période vivante, en rejetant de l’O2 ; ce CO2
contient du C14 dans l’abondance isotopique du moment de la vie
dans l’atmosphère . Quand la vie s’arrête le C14 diminue dans la
matière morte selon sa période radioactive de 5700 ans . En
mesurant l’abondance isotopique au moment de la découverte on a
donc l’âge du fossile. Cette méthode est utilisée dans le temps pour
quelques dizaines de milliers d’année. Pour d’autre durée on utilise
aujourd’hui d’autres couples d’isotopes :
238U/
206Pb pour les milliards d’années (âge de la Terre)
. Radiochimie, biochimie, analyse par activation : Une multitude de
possibilités de recherches…
Les radio-isotopes les plus courants sont le tritium, P32 (T 14,3
jours), S35 (88 jours), I125, Na22 , Ca 45, Fe 59
. Arts: on peut authentifier des œuvres d’arts par radiographie mais
aussi par les analyses ultrafines des produits employées par un
artiste.
10
Activité C14/C12 fin
de vie atmosphérique
Activité
C14/C12
mesurée
Nombreuses corrections:
C12/C14 origine et C12/C14 arrivée
Essais nucléaires de 1950 à 1970
Datation par le carbone 14
Vie Mort
Courbe de la
décroissance
du C14
11
Bateau gallo-romain traité: résines injectées+ irradiation pour
durcissement et stérilisation
On préserve des œuvres en stérilisant par des doses très
élevées de rayonnement( Ramsès 2 à Saclay Nucléart 1970
18 000 Gray puis Kroma bébé mammouth Grenoble Nucléart
2009 )
12
Les diagnostics en médecine
Pour être utilisable un isotope radioactif doit:
- avoir une période radioactive assez longue pour être
préparé, pour être transporté, pour être utilisé.
- être biologiquement acceptable par un vecteur et une
cible,
- avoir une période assez courte pour limiter l’exposition
du patient et des opérateurs , et pour le traitement des
effluents biologiques,
- avoir un rayonnement détectable clairement pour le
scanner gamma.
13
Radiographie, scanner, IRM
La radiographie s’effectue soit par des rayons X, soit par gamma.
Les développements des examens rayons X du début du 20 siècle
ont été perfectionnés par la lecture sur écrans multiplicateur de
lumière puis plaques photographiques de plus en plus sensibles
pour réduire les doses des patients et des radiologues ; ceux-ci
ont payé un lourd tribut du fait des cumuls de doses.
Les développements de l’électronique et du traitement des
informations(dite imagerie médicale) couplé au scanner ont
permis des progrès considérables. Un scanner X ou gamma de la
tête représente plus d’une centaine de « coupes » précises vues
de face par tranches, vues de dessus par tranches. On détecte
ainsi précocement anomalies et tumeurs. Le scanner X ou gamma
permet de « voir les changement de densité c’est à dire
principalement les os.
L’IRM , Imagerie par Résonnance Magnétique nucléaire ne met pas
en œuvre de rayonnement ionisant; l’IRM permet de « voir » les
matières molles .
14
Traceurs et PET scan
(tomographie par émission de positons )
Le PET Scan permet:
• d'examiner l’ensemble du corps en un seul examen et donc de traquer des
métastases. Préparation non comprise, il dure environ 50 minutes.
• de visualiser des tumeurs qui, à cause de leur petite taille, ne sont pas
toujours visibles aux examens radiologiques classiques. Les tumeurs ayant
une importante activité métabolique; le PET Scan permet de les voir, quelle
que soit leur taille.
• de faire la différence entre une masse bénigne (non cancéreuse) et une
tumeur cancéreuse (grâce à son activité métabolique).
Une molécule marquée par un isotope radioactif est injectée et son
comportement, sa cible dans l’organisme, est suivi grâce à la mesure des
rayonnements gamma par un scanner. On décèle et on dimensionne des
tumeurs plus actives et métastases.
Les isotopes les plus courants sont le Technétium 99m, l’iode 123, le Thallium
201.
On utilise des isotopes de période courte quelques heures à quelques jours, de
caractéristiques biologiques adaptées à l’organisme et à la molécule vecteur,
de rayonnement(s) adaptés pour la détection et la manipulation dans les
laboratoires et les hôpitaux
15
PET scan avec du Technécium 99m
66 heures
16
Fiche sécurité
17
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• Le technétium-99m est obtenu dans les hôpitaux à partir
d'un noyau radioactif précurseur, le Molybdène-99
généralement produit dans un réacteur nucléaire. La période
radioactive de 66 heures de ce précurseur donne le temps de
le transporter à l'hôpital. La période radioactive du
technétium-99m est elle-même de 6 heures.
Le technétium-99m émet un photon gamma de 141 KeV.
Dans un hôpital, le délai de quelques heures permet
d'extraire chimiquement le technétium-99m, de le faire
passer dans un sérum, puis de l'injecter à un malade afin de
procéder à des examens par gamma-caméra. Le Tc99m est
l'isotope radioactif le plus utilisé dans le monde en imagerie
scintigraphique.
19
20
Scintigraphie rénale dynamique: Les produits radio pharmaceutiques utilisés sont le DTPA ou le MAG3, marqués au technétium-99m. L'injection est suivie d'une acquisition dynamique (acquisition d'images à intervalles réguliers) pendant 20 à 40 minutes qui permet de mesurer en fonction du temps, l'activité du traceur dans chaque rein.
21
22
L'acide diéthylène triamine penta acétique (DTPA) est un chélateur qui, associé au radio-isotope Tc99m, permet, en médecine nucléaire, de faire de l'imagerie des reins. Il permet aussi, sous forme d'aérosol, de cartographier la ventilation pulmonaire.
23
Les scintigraphies osseuses sont peu irradiantes (5,8 µSv/MBq), mais
les scintigraphies cardiaques le sont beaucoup plus (231 µSv/MBq).
Les activités injectées varient grandement selon l'examen, par
exemple de 1 mCi pour un scintigraphie des reins avec l'iode-123 à
près de 27 mCi (1000 MBq) pour une scintigraphie cardiaque au
technétium. 24
En mSv
La dose annuelle reçue
par la radioactivité
naturelle est de 2,5
mSv pour tout
l’organisme.
Pour la médecine de
diagnostic , il vaut
mieux déceler une
tumeur le plus tôt
possible d’où bénéfice
nécessairement grand
en regard de la dose.
2,5
25
2,5
mSv
26
En médecine nucléaire il faut bien entendu prendre garde à
la protection du personnel chercheur et hospitalier,
personnel de service , visiteurs , déchets radioactifs.
On verra plus tard les aspects radioprotection en général.
Dans l’hôpital , il doit y avoir règlementairement « une
personne compétente » dans ce domaine.
27
Des précautions à prendre
pour les opérateurs
28
Les traitements
par les rayonnements ionisants
Traitements par radiothérapie externe
Traitements par radioactivité administrée interne
La découverte de la radioactivité artificielle par Joliot-
Curie et Irène Curie en 1934 a ouvert de vastes
possibilités de choix de radioélément : pour remplacer le
radium de radio toxicité élevée . Le choix considère :
- La période, pas trop courte pour que l’isotope puisse être
produit et mis en œuvre.
- le rayonnement émis adapté aux traitements et aux
mesures.
- les propriétés chimiques et biologiques pour l’organe
cible et le vecteur d’accès à ces organes.
29
Radiothérapie par source externe
Dès la découverte au début du 20 siècle la sensibilité des
cellules à développement rapide avait été observée d’où
le traitement des zones cancéreuses par irradiation par
des aiguilles de radium.
La découverte de la radioactivité artificielle et la
possibilité de produire des sources radioactives intenses
a permis d’élargir le champs des traitements; dans la
deuxième partie du 19 siècle « la bombe » au cobalt 60,
rayonnement gamma énergétique, était largement
utilisée. L’inconvénient majeur est l’irradiation des tissus
sains voisins , dégâts collatéraux. Toutes les recherches
ont donc visé à réduire la zone irradiée au minimum utile,
c’est-à-dire la tumeur:
- des progrès considérables ont été réalisés pour la
nature des rayonnements gamma, rayons X,
accélérateurs d’électrons .
- des automates et l’électronique sophistiquée permettent
de focaliser les rayonnements sur la cible en coordonnant
le faisceau irradiant avec les mouvements du patient etc..
Les doses délivrées en plusieurs séances sont dans le
domaine des dizaines de gray sur la tumeur. 30
Il s’agit par des irradiations externes de détruire les cellules
cancéreuses; le radium a été utilisé puis vers 1950, le cobalt 60
(bombe au cobalt ). Ces sources malgré les techniques de
focalisation provoquaient de dommages aux organes et tissus
adjacents à la tumeur.
De nos jours le rayonnement est produit par un accélérateur linéaire
d’électrons et des progrès considérables sont réalisés pour réduire
ces dommages collatéraux.
« bombe » au cobalt
et cobalthérapie
31
Pour les accélérateurs linéaires
d’électrons , les capacités de
réglages électriques et
électroniques permettent la
focalisation précise sur la tumeur,
et le dimensionnement du faisceau
de rayonnement au volume de la
tumeur; on en est à asservir le
faisceau au mouvement
respiratoire du patient. Tous ces
progrès visent à minimiser les
dommages collatéraux .
Des doses de l’ordre de 50 à 70 Gy sont appliquées; des erreurs
de calibration ou de définition des réglages ont conduit à des
accidents graves de surexposition. Le recours à une personne
spécialisée en radio physique médicale (PSRPM), dont la
présence était déjà obligatoire en radiothérapie et en médecine
nucléaire, a été étendue à la radiologie. Sa qualification repose
sur l’obtention d’un master de physique médicale suivi d’une
formation spécialisée. 32
La curiethérapie
Implantation d’une source scellée: La technique la plus
ancienne consiste à implanter pendant un temps déterminé
une ou des aiguilles sources de radium ou d’iridium, sources
scellée. (début 1900 avec du radium pour une tumeur de
l’utérus). La dose diminue selon le carré de la distance à la
source. La technique est donc adaptée pour de petite
tumeur localisée. Il n’y a pas de diffusion de la matière
radioactive dans l’organisme. Des sources de ruthénium
106 sont utilisées pour traiter des tumeurs du globe
oculaire. Par cette technique la source radioactive irradie
la tumeur à forte dose en son centre ( l’irradiation se fait
selon une loi en 1/d 2, l’origine de d étant le centre de la
source. La première technique a été de placer une aiguille
de radium dans la tumeur pour la durée nécessaire à la
destruction de la tumeur (cancer de la langue, cancer de la
lèvre, utérus, prostate etc.); parfois la source solide gainée
est introduite au contact de la tumeur par cathéter.
33
Au lieu d’utiliser des émetteurs béta gamma , on utilise un
émetteur alpha. Les particules alpha sont 1000 fois plus
ionisantes sur courte distance ; des essais prometteurs par des
émetteurs alpha sont en voie de développement par exemple le
radium 223.
Injection de matière radioactive en solution biologique:
un radioélément susceptible de se localiser dans la tumeur est
injecté et va y exercer son effet thérapeutique en détruisant
les cellules cancéreuses. De l’iode 131 pour la thyroïde. On
utilise des émetteurs béta purs autant que possible (Y90,
Er169 ou Re186) .
34
35
Terbium 161 36
Exposition du public
Moyenne en France
2,5 mSv dont 29%
traitements et
examens médicaux
37
Hors médecine et naturelle
Normes en mSv par
personne
38
Les applications industrielles
. Radiographie des pièces métalliques , détection de défauts de
soudure; sur pièces épaisses on utilise des sources gamma
énergiques . Un film photographique est placé sur l’autre coté de
la soudure à contrôler par rapport à la source et on lit les
gradients de noircissement.
. Traitement de stérilisation (appareillages médicaux)
. Traitement conservation (fruits, épices …)
. Durcissement des bois et polymères, traitement œuvres d’art…
39
Gammagraphie
40
41
Phosphore 32
Traceurs radioactifs en recherche agricole
42
Stérilisation de produits agroalimentaires
Stérilisation des matériels de chirurgie
L’irradiation des aliments est un procédé de conservation et
d’assainissement. Les produits ionisés offrent : une qualité
microbienne excellente qui permet une meilleure réponse aux
exigences sanitaires, une réduction des contrôles bactériologiques
lors de la fabrication, la prolongation de la durée de vie en
conservant les qualités organoleptiques et nutritives des produits.
À faible dose, l’irradiation sert à inhiber la germination (pommes
de terre, oignons, ail, gingembre), à désinsectiser et déparasiter
les céréales, les plantes légumineuses, les fruits frais et secs, les
poissons et viandes, à ralentir le processus physiologique de
décomposition des fruits et légumes frais. À dose moyenne,
l’ionisation par irradiation permet la prolongation de la
conservation des poissons frais, des fraises, l’élimination des
agents d’altération et des micro-organismes pathogènes sur les
fruits de mer, les volailles et viandes (produits frais ou congelés),
et l’amélioration technique des aliments, par exemple
l’augmentation du rendement en jus du raisin ou la diminution de la
durée de cuisson des légumes déshydratés.
43
Une installation d’irradiation industrielle
44
Production d’énergie
La fission
La fusion
45
La fission du noyau d’Uranium a été découverte en Allemagne en
1938 par Otto Hahn , Frist Strasmann, Lise Meitner . Sous l’effet
d’un neutron de basse vitesse qui est capturé(neutron lent) le
noyau d’uranium 235 se divise en deux noyaux de masse moyenne
( masse atomiques voisines de 90 Krypton et 140 Xénon), libérant
entre deux et trois neutrons ; ceux-ci vont ensuite agir sur d’autres
noyaux d’Uranium ou autre ; cette division se fait avec perte de
masse libérant une grande énergie ; c’est la réaction en chaine. Le
premier réacteurs nucléaire a « divergé » à Chicago en 1942 sous
la direction de Enrico Fermi; le premier réacteur Zoé en France a
divergé en décembre 1948 sous la direction de Joliot-Curie.
Cette réaction :
- ne fait pas intervenir le CO2
- par contre elle produit deux noyaux radioactifs par atome
d’Uranium et pose donc le problème des déchets radioactifs.
-La capacité de production d’énergie d’une même masse de
combustible est environ 10 000 fois celle du charbon ou du pétrole
46
La fission de l’Uranium
La fission d’atomes lourds Uranium 235, plutonium 239
dit fissiles
200 MeV par
fission
Abondance U 235
dans U naturel 0,67 %
47
Les acteurs de la fission nucléaire Réacteurs actuels à neutrons « lents »
Neutron « lent »
Cadmium , Bore
gadolinium, ,Hélium 3
Ralentisseur de neutrons
(modérateur)
Eau lourde
Graphite
Eau légère
Bérylium
Atome de plutonium 239
ENERGIE ENERGIE
Atome d’Uranium 235 ou plutonium 239
3 neutrons
Absorbeurs de neutrons
Cadmium, bore,
gadolinium, hélium3
Ralentisseur de neutrons
ou modérateur
Eau lourde, graphite,
eau légère, bérylium
48
L’uranium 7% de la consommation d’énergie primaire mondiale , 39% en France, 80% de l’énergie électrique en France,
16% de l’électricité dans le monde , 200 tonnes (U nat ) pour produire 1000 MWe pendant un an
Avantages
Énergie très concentrée
Réserves importantes: -100 ans filières actuelles(PWR, EPR)
-1000 ans filières surgénération(RNR,
IVème génération
- > par le thorium
-Pas de gaz effet de serre
-Possibilité de réserve de
sécurité
Inconvénients
Déchets ultimes longue
durée
Terrorisme , Prolifération,
Technologies sophistiquées
Risque accident
49
Le pétrole 36%(en 2001) de la consommation mondiale – 3,6 Gtep/an 1 800 000 tonnes pour produire 1000 MWe pendant un an
Avantages
Coût faible (pour l’instant )
Commode d’utilisation
Transportable
Inconvénients
Réserves limitées à 50 ans
Réserves dans des pays
politiquement instables
Pollution atmosphérique
Risque des transports
Effet de serre
Coût social élevé
50
Le charbon 23 %( en 2000) de la consommation mondiale- 2,6 Gtep/an 2 600 000 tonnes pour produire 1000 MWe pendant un an
Avantages
Réserves 200 ans
Bien réparti sur la planète
Inconvénients
Effet de serre
Pollution atmosphérique (
CO2, NOx, SOx ..)
Pluies acides
Coût social élevé par
l’extraction et la pollution
Transports
51
De la chaleur à l’énergie électrique: Le réacteur nucléaire électrogène
Une machine thermique ( rendement de Carnot)
uranium
52
53
54
Le réacteur nucléaire à eau lourde EL4
à Brennilis
modérateur
caloporteur
La fusion, théorisée il y a très longtemps en même temps que
la fission, a été obtenue sur Terre en 1952 dans une bombe
thermonucléaire américaine puis Russe 1953 , Angleterre
1957, Chine 1967, France 1968, Corée du Nord??
Recherche en France au CESTA par le Laser Mégajoule …
Pollution de l’atmosphère terrestre autour des années 1960 à
1970 par les essais militaires.
55
La fusion d’éléments légers
La fusion nucléaire
C’est la source d’énergie des étoiles et de notre soleil; notre
soleil a 4,5 milliards d’année et il en a encore pour..4 à 5
milliards d’années. Des atomes légers « fusionnent » en
libérant une très grande quantité d’énergie .
Énergie 10 000 MeV
par réaction
Deutérium Tritium (radioactif)
Hélium neutron
100 millions de degrés
et/ou très haute
pression
Dans le soleil la réaction sous haute température et haute
pression fait intervenir l’hydrogène, le deutérium et le
tritium .
Dès 1919, Jean Perrin avait émis l'idée que la synthèse de
l'hélium (He) à partir de l'hydrogène (H) permettrait de capter une
fabuleuse énergie.
lithium
neutrons
56
57
Recherche
nationale et
internationale
Europe Chine USA
Japon Russie….
En France principe du
TOKOMAK, réalisation
1970 à FAR, puis Tore
Supra à Cadarache
Confinement magnétique
du « plasma » D+T dans
un tore
- défis ultra vide ultra
froid ultra magnétisme
ultra haute température
Voie laser mégajoule à
Bordeaux
1989- 1998
2025
…
ITER
2025
Vers le réacteur à fusion pour
produire de l’énergie ITER
58
Projet international ITER
Construction internationale à Cadarache en cours démarrage
2025 à 2035 objectif 500MW 59
Vue futuriste du réacteur de fusion
60
La réalisation d’un réacteur par la fusion contrôlée est un projet
ambitieux car de grands défis technologiques sont à résoudre.
Les sources d’énergie sont le lithium (pour obtenir le tritium), et
le deutérium, disponibles sur Terre.
Le déchet de la réaction est de l’hélium non radioactif mais les
neutrons de la réaction produisent une radioactivation des
matériaux de structures. Par contre il n’y a pas de produits de
très longues périodes radioactives que l’on a dans la réaction de
fission de l’Uranium 235 et du plutonium 239.
61
La chaleur interne du globe terrestre provient de la radioactivité des
matériaux terrestres.
Des sources d’énergie inépuisables (mais très chère) : une source
radioactive alpha (Plutonium 238 ou américium 241):
- Réacteur spatial: la chaleur alpha émise par le Pu 238 (T 87,7 ans) est
transformée en électricité.
-Des « pacemakers » au
Pu 238 ont été utilisés
pour miniaturiser la
source d’énergie; ils ne
sont plus utilisés après
l’apparition des batteries
Lithium –ions.
-Des sources radioactives
pour les stations
autonomes en énergie en
mer.
Source d’énergie pour la conquête spatiale
62
Le robot Curiosity sur Mars est alimenté par une source de
Pu 238 – la chaleur est transformée en électricité
63
