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Interactions des particules chargées avec la matière
Les particules chargées interagissent essentiellement avec les électrons périphériques des atomes. Ces interactions faisant appel aux forces nucléaires, peuvent conduire à des modifications de la structure du noyau si les particules incidentes ont des énergies suffisantes pour passer au travers du cortège électronique et du champ électrique engendré par le noyau. Par contre si l’énergie de la particule incident est trop faible, il y’a juste l’excitation ou l’ionisation de l’atome. A chaque interaction, la particule incidente perd de l’énergie par émission d’un rayonnement électromagnétique et est peu à peu ralentie.
– Cas des particules alpha
Les particules alpha ont une masse environ 7500 fois supérieure à celle des électrons. Pour les énergies comprises entre 0 à 10 MeV, les pertes d’énergies lors des chocs avec des électrons sont très faibles, et la déviation subie lors d’une collision est petite.
Les particules alpha d’un faisceau parallèle monocinétique se comporter sensiblement de la même manière. Les trajectoires sont rectilignes, et chaque particule est peu à peu freinée (figure I.1). Dans le cas d’une particule alpha animée initialement d’une énergie cinétique T, dans un milieu M, on peut parler de parcours R=R(T, M) bien défini: c’est la distance de freinage de la particule alpha. Le parcours des particules alpha est très court. Il en résulte une très forte ionisation spécifique.
– Cas des électrons
Deux phénomènes physiques sont essentiellement observé lorsqu’un électron traversant un milieu matériel:
• L’électron incident peut interagir par interaction coulombienne avec des électrons des atomes du milieu traversé, ce qui conduit à l’ionisation ou à l’excitation de ces atomes (collision). Ce processus de collision est nettement prépondérant pour les électrons de faible énergie (inférieure à 1 MeV). La déviation de l’électron entré en collision avec un autre électron peu être importante; il en ait de même pour la perte de l’énergie.
• Si l’électron incident passe à proximité d’un noyau atomique, il dévie sous l’effet de la force due au champ électrique des charges du noyau. Il subit une accélération qui provoque l’émission d’un rayonnement électromagnétique: on parle de rayonnement de freinage ou Bremsstrahlung (figure I.3). Le freinage est d’autant plus important que la vitesse de l’électron soit grande.
Interactions du rayonnement électromagnétique avec la matière
Lorsqu’un faisceau de photon pénètre dans un milieu matériel, on constate une disparition progressive des photons qui le constituent. Cette diminution, appelée atténuation, est due à l’interaction d’un certain nombre de photons avec les particules matérielles du milieu, plus particulièrement les électrons. Le coefficient linéaire d’atténuationµ(E, M) dépend de l’énergie E des photons et du milieu M traversé mais également de sa densitéρ. On définit alors un coefficient massique d’atténuation µ m dépendant de la matière mais plus de son état (solide, liquide ou gazeux): µ m= µ (E, M)/ρ.
Le photon peut subir essentiellement trois types d’interactions suivants: effet Photo électrique, effet Compton Créations de paires.
Effet photoélectrique
Lorsqu’un photon entre en collision avec les électrons des couches internes d’un atome, on parle d’effet photoélectrique. Dans ce cas la totalité de l’énergie du photon incident E est absorbée par l’atome. Cette énergie est transférée à un électron qui est éjecté de sa couche électronique et emporte l’excédant d’énergie sous forme d’énergie cinétique. Il s’en suit l’émission d’un photon de fluorescence lorsqu’un électron des couches supérieures transite pour occuper la place laissée vacante par l’électron éjecté. Les transitions électroniques vers les couches internes peuvent créer des ionisations supplémentaires. Les électrons éjectés suites à ces ionisations supplémentaires sont appelés électrons Auger.
L’effet photoélectrique ne peut avoir lieu que si l’énergie du photon incident est plus grande que l’énergie de liaison de l’électronEL.
On parle d’effet Compton lorsqu’un photon est diffusé par un électron d’une couche externe de l’atome (électron quasi-libre) auquel il cède une partie de son énergie sous forme d’énergie cinétique (E ); le reste d’énergie est emporté par un autre photon d’énergie E’= hυ’. Pour C des photons de faible énergie (inférieure à 0,5 MeV), la majeure partie de l’énergie est emportée par le photon (diffusion); pour les photons d’énergie plus élevée (supérieurs à 2 MeV), c’est l’électron Compton qui emporte la plus grande partie de l’énergie (absorption). Le photon incident de fréquence υ est diffusé sous un angle θ par rapport à la direction incidente, avec une fréquenceυ’ inférieure à υ, cette fraction d’énergie perdue est cédée à l’électron, appelé électron Compton, qui dévie d’un angleφ par rapport à la direction incidente. Le phénomène cinétique de cet effet Compton est illustré par la figure suivante.
En appliquant les lois de conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement on obtient les formules concernant l’énergie du photon diffusé et de l’électron de recul.
L’énergie du photon diffusé
L’énergie du photon diffusé hν’ = E’ est donnée par la relation: h’ = h 1+ α 1 – cosθ
Où : α = hν m c2 0
h E est l’énergie du photon incident;
h = 6,62.10 -34 J.s est la constante de Planck;
m c2 est l’énergie au repos de l’électron.
Pour θ = 0° , l’énergie du photon diffusé est maximale, Emax = E
pour θ = 180° , l’énergie du photon diffusé est minimale, E min = E
c’est le 1+ 2α phénomène de rétrodiffusion.
Les applications utilisant les radioéléments
Dans le domaine de la santé
Dans le domaine de la santé, l’utilisation des radioéléments sont aujourd’hui d’une grande importance. La radiothérapie, la médecine nucléaire etc.… sont des applications utilisant des RI qui permettent le traitement, le diagnostic ou l’élimination de beaucoup de maladies. La radiothérapie est un des traitements ou d’élimination des cancers par: Irradiation des tumeurs, Irradiation du sang ou Irradiation des tissus. Les services de médecines nucléaires utilisent des radioéléments à des fins de diagnostic. Les radioéléments sont administrés au patient afin d’obtenir une image fonctionnelle d’un tissu ou d’un organe à l’aide d’une caméra à scintillation. Le diagnostic peut être également in vitro, permettant de doser certains composés contenus dans le sang préalablement prélevé sur le patient. Les médicaments radio-pharmaceutiques peuvent constituer un traitement à eux seuls, par exemple I-131 pour le traitement du cancer de la thyroïde. Les isotopes généralement utilisés sont: l’iode 131 (I-131), le samarium 153 (Sm-153), le strontium 90 (Sr-90): émetteurs béta, le cobalt 60 (Co-60), le césium 137 (Cs-137), iridium 192 (Ir-192): émetteurs gamma ou les rayonnements émis par les accélérateurs de particules.
Les radioéléments sont aussi utilisés en biomédecine comme traceur ou marqueur isotopique mais également comme produit pharmaceutique. En Afrique et en Amérique latine, l’hygiène nutritive chez les enfants a améliorée grâce à des méthodes analytiques nucléaires.
Dans le domaine de l’industrie
Comme dans le domaine médical, les radioéléments sont utilisés dans l’industrie pour obtenir des images internes de pièces métalliques, de soudures ou de structures en béton, à des fins de contrôle, sans les altérer. On peut citer parmi ces applications: La radiographie à rayon γ, la radiographie à rayon X et les techniques de jauges radiométriques. Ces techniques sont utilisées dans les secteurs tels que: la chaudronnerie, la fonderie, l’industrie du pétrole, la construction navale et aéronautique, la cimenterie, l’industrie des semi-conducteur, la fabrication du papier. Les radioéléments couramment utilisés sont l’Iridium 192, le Césium 137, le Cobalt 60.
Les radioéléments sont aussi largement utilisés dans les laboratoires pour des fins de recherche.
Dans le domaine de l’agriculture
L’amélioration durable de la productivité agricole est aujourd’hui un objectif réaliste. Les sciences nucléaires offrent des techniques éprouvées qui peuvent être, et qui sont, utilisées pour améliorer la productivité agricole tout en préservant des ressources naturelles précieuses aujourd’hui et à l’avenir. Selon les estimations de la FAO, jusqu’à 40% des denrées produites dans le monde sont cultivées par irrigation, mais de grandes quantités d’eau utilisées à cette fin sont perdues à cause des fuites dans les systèmes d’irrigation.
L’AIEA par le biais de son programme « Gestion des sols de l’eau et de nutrition végétale » a mis au point une technologie faisant appel à des isotopes stables et radioactifs. Cette étude permet d’accroitre le rendement de cultures en éléments nutritifs au profit de la population et du bétail, tout en conservant l’eau et en empêchant les terres marginales de se dégrader davantage. Un projet de coopération technique d’une durée de cinq ans pour l’intensification durable de l’agriculture sur les terres arables les mieux adaptées et la conversion des terres est en cours d’exécution dans les pays sahéliens d’Afrique de l’Ouest (Burkina Faso, Niger, Mali et Sénégal).
Des sources radioactives sont également utilisées pour réduire les populations d’insectes nuisibles. L’une des techniques les plus efficaces qui aient été mises au point à ce jour est celle de l’insecte stérile (TIS). La TIS consiste à élever en masse des insectes mâles, puis à les stériliser par irradiation gamma. Les insectes stérilisés sont identiques aux insectes sauvages, sauf qu’ils ne peuvent pas se reproduire. Ils sont ensuite lâchés sur le terrain, où ils entrent en compétition avec les mâles sauvages. A la longue, des lâchers répétés d’insectes stériles réduiront progressivement, puis finirons par éradiquer ou maintenir sous contrôles les populations d’insectes visées. Cette technique a permis d’éradiquer aujourd’hui la mouche méditerranéenne des fruits du Mexique et du Chili, ainsi que certaines régions du Guatemala et des Etats-Unis. Ce programme est maintenant appliqué en Argentine, dans le sud du Pérou et au Moyen-Orient.
Dans le milieu marin, Les spécialistes du milieu étudient la contamination due à des pesticides et à d’autres produits chimiques en analysant des échantillons à l’aide de techniques nucléaires.
Dans le domaine de l’énergie
L’énergie nucléaire assure une part importante des besoins des nombreux pays industrialisés, et cela sans émettre des gaz acides et des gaz à effet de serre que, nécessairement, produisent les industries plus traditionnelles.
De nos jours, les réacteurs nucléaires fournissent 13,8% de la production mondiale d’électricité dont 25% de la production des pays de l’OCDE. En 1994, la production électronucléaire a dépassé la production d’électricité de 1958, toutes formes confondues. Toujours selon l’agence de l’OCDE pour l’énergie nucléaire, la production d’électricité d’origine nucléaire dans les pays de l’OCDE devrait continuer à progresser de 0,6% par an jusqu’en 2020. En 1999 la part du nucléaire par rapport aux autres moyens de production d’électricité dans ces pays avait atteint 24,2% et devrait atteindre selon toutes vraisemblances les 25% en 2012.
Ce choix de l’électronucléaire, dans les pays industrialisés est considéré de bonne façon, car il présente des avantages certains en matière de cout et d’environnement, avec des frais d’exploitation en baisse et des facteurs de disponibilité élevés. Les pays qui ont adopté ce système, à l’image de la France, voient des possibilités de développement à long terme et sur une grande échelle. Cependant l’énergie nucléaire reste une pomme de discorde dans certains pays qui à l’image de l’Allemagne et récemment le Japon ont décidé de sortir petit à petit du nucléaire.
En dépit de tous les avantages que nous procurent les sources des RI il est cependant nécessaire de connaitre ce que celles-ci revêtent du point de vu destructif notamment leurs effets sur la nature: l’être vivant en particulier.
Effet des rayonnements ionisants sur les êtres vivant: l’Homme en particulier
Les premiers effets cliniques attribuables aux RI ont été rapportés très tôt après la découverte des rayons X et de la radioactivité à la fin du XIXème siècle. La première radiolésion a été décrite en 1896, les premiers effets tératogènes en 1901 et le premier cancer humain radio-induit en 1902. La cancérogénèse était démontrée expérimentalement en 1910. La multiplicité de ces conséquences cliniques a ouvert la voie à la radiobiologie, étude des mécanismes aboutissant à ces lésions, afin de les prévenir.
Les recherches ont montré que les rayonnements ionisants agissent en transférant de l’énergie à la matière. C’est cet excès d’énergie apporté à la molécule qui est responsable de lésions moléculaires. En effet toutes les molécules des cellules vivantes peuvent être touchées et plus particulièrement l’eau (par son abondance) et l’ADN: Acide désoxyribonucléique (par les conséquences de son altération).
La radiolyse de l’eau : sous l’influence des RI, une molécule d’eau se décompose en deux radicaux (H°, OH°) qui sont très réactifs, provocant des lésions sur les molécules voisines particulièrement l’ADN.
Les effets sur l’ADN : la molécule d’ADN est faite d’une double chaine d’hélices
Antiparallèles complémentaires. Cette chaine est constituée de trois éléments qui constituent des nucléotides mono phosphates:
. Un groupe phosphate;
. Un sucre (le désoxyribose);
Quatre bases azotées Adénine (A), Guanine (G), Cytosine (C), Thymine (T). Ces bases se ressemblent deux à deux: A et G sont des Purines, C et T sont des Pyrimidines.
Les effets des RI sur l’ADN entrainent sa dénaturation, ils sont soit directe: par action des rayonnements sur l’ADN, soit indirecte par effets des radicaux libres produit par la radiolyse de l’eau [15, 16].
o Effets directs des rayonnements ionisants: la molécule peut être modifiée par effet direct d’un rayonnement. Cet effet qui consiste en un arrachement d’électron avec formation d’un cation radical, résulte de la création d’ionisations au sein de la molécule d’ADN elle-même, qui surviennent dans les bases ou sur les sucres composant la chaine d’ADN. Dans le cas des RI de fort Transfert Linéique d’Energie (TLE), l’ionisation directe est dominante et représente 40% du nombre total de lésions générées par l’irradiation [17, 18].
o Effets indirecte des rayonnements ionisants: la voie indirecte des RI sur l’ADN est dû au radicaux libres HO° et H° produit par la radiolyse de l’eau. La recombinaison de ces radicaux s’ils se produits à proximité de la molécule d’ADN, ils vont pouvoir réagir avec elle en altérant sa structure par oxydation ou réduction. Cette voie indirecte est influencée par la présence d’oxygène dans la cellule. S’il existe en grande quantité dans la cellule qui subit l’irradiation, il peut favoriser la formation, à partir de radicaux libres, de l’eau oxygénée (H₂O₂), ainsi que d’autres espèces oxydantes, qui pourront également provoquer par eux-mêmes des lésions de l’ADN. De ce fait, l’oxygène peut amplifier les conséquences de l’irradiation par cette production d’agents puissant oxydants: c’est l’effet oxygène [19].
L’ionisation de la molécule d’ADN, que cela soit directement ou indirectement peut entrainer: Des ruptures de chaines: les deux brins s’écartent par la pénétration de molécules d’eau dans la brèche. Les liaisons hydrogènes entre les bases complémentaires sont rompues, provoquant une altération de 2 à 3 nucléotides autour de la lésion alors produite. Les lésions peuvent être simples ou doubles;
Des lésions de bases nucléiques (surtout la thymine);
La formation de liaisons chimiques anormales ou inter chaines (ADN ou ARN avec une protéine);
Une distorsion des deux brins d’ADN.
Suite à ces lésions, des enzymes spécifiques peuvent réparer la chaine d’ADN. Cependant, si la dose d’énergie absorbée est trop grande, la réparation ne sera pas complète et peut ensuite engendrer deux situations:
Une mutation létale: la cellule fortement lésée peut provoquer sa propre mort en activant des gènes suicides: c’est la mort programmée ou apoptose. Les effets biologiques des RI qui découlent de la mort cellulaire sont appelés les effets déterministes.
Une mutation non létale: elle n’entraine pas la mort de la cellule mais la molécule d’ADN subi des modifications. Ces effets biologiques des RI sont appelés effets stochastiques.
Le schéma si dessous résume les différents mécanismes engendrant les modifications de la cellule après exposition à un rayonnement.
Les effets déterministes ou non aléatoires
Ils apparaissent dès que la dose reçue dépasse une valeur « seuil » et sont en général précoces. Les effets diffèrent selon que l’irradiation soit globale ou partielle, que la dose reçue l’a été en une seule fois (irradiation aiguë) ou en plusieurs fois (irradiation chronique).
– Exposition externe globale: Plus la dose reçue est élevée plus la symptomatologie est précoce, riche et prolongée. Le syndrome d’irradiation aigu survient lorsque l’irradiation
est aiguë et concerne le corps entier.
La première phase est appelée prodrome. A cette phase précoce, succède une seconde phase dite latente pendant laquelle on observe une régression ou une disparition des symptômes. Puis, dans une troisième phase, les signes cliniques réapparaissent. On distingue trois grands syndromes: hématopoïétique, gastro-intestinal et neuro-vasculaire.
Si la dose reçu est inférieur à 0,25 Grays (Gy), aucun symptôme n’est observé;
Pour une dose comprise entre 0,25 Gy et 1 Gy, on observe une chute discrète et réversible des lymphocytes;
Dose comprise entre 1 et 2 Gy, on constate l’apparition des premiers signes constituants la phase prodromique. Ils surviennent dans les 24 heures suivant l’exposition: les signes neuro-végétatifs comprennent des céphalées, une asthénie, une tachycardie, une hypotension et s’accompagnent de troubles digestifs à type de nausées, vomissements avec parfois douleurs abdominales et de troubles vasomoteurs.
Dose comprise entre 2 et 5 Gy: l’hospitalisation en service spécialisé est indispensable en raison des Nausées et vomissements sévère qui apparaissent dans les deux heures, puis surviennent l’asthénie intense et les troubles hématopoïétiques.
Dose compris entre 5 et 15 Gy: on observe des troubles digestifs graves, des troubles neurologiques et l’aplasie médullaire profonde.
Dose supérieure à 15 Gy: état de choc, manifestations neurologiques immédiates (convulsions, désorientation), avec une sensation de chaleur des testicules, elle varie avec l’âge. La stérilité survient pour des doses supérieures à 8 grays. A cette dose l’irradiation est létale (décès très fréquent au-delà de 12 Gy, et pratiquement inéluctable au-dessus de 15Gy) [20].
– Effets produits par irradiation localisée
A Saintes en France le 2 avril 1981, lors du chargement de sources radioactives, un technicien chevronné malgré ses 25 ans d’expérience, a pris à main nue l’une des sources qui était tombée du véhicule. Nous voyons ci-dessous la photographie prise quelques jours après l’ irradiation et un schéma présentant la dose reçue à différents niveau de sa main.
On remarque très bien sur la photographie que l’irradiation a provoqué au bout de quelques jours une nécrose des tissus de la main. On peut donc en déduire qu’une irradiation localisée intense se traduit au final par une nécrose, c’est-à-dire la mort des tissus cellulaires, au niveau de la région touchée. Les parties externes sont les plus concerné par ce type d’irradiation: la peau, les yeux, les gonades [22].
Une telle irradiation à forte dose des gonades provoquer la stérilité: chez l’homme elle est définitive si la dose reçue par les testicules est supérieure à 6Gy; chez la femme jeune, une stérilité définitive apparait pour une dose aux ovaires supérieure à 12 Gy. L’irradiation de l’œil à 5 Gy peut provoquer une cataracte.
Il faut noter que l’irradiation localisée est moins grave que l’irradiation globale du fait que moins de cellules sont touchées. Contrairement à l’irradiation importante de l’organisme entier qui peut être mortelle.
Effets aléatoires ou stochastiques
Les effets stochastiques sont les conséquences probabilistes à long terme, chez un individu ou chez sa descendance, de la transformation d’une cellule. Ils résultent donc de lésions mal réparées des molécules d’ADN. Les effets stochastiques sont de deux types:
– Effets cancérigènes
Les cancers peuvent apparaitre après une latence d’au moins 2 ans pour les leucémies, et d’au moins 5 ans, voire 10 ans pour les autres cancers. Ils ne sont pas différents des autres cancers naturels si bien qu’ils ne peuvent être décelés que par des études épidémiologiques portant sur des populations nombreuses suivies sur des périodes prolongées. On parlera de cancer radio induit si l’on met en évidence un excès de cancers dans une population irradiée par comparaison à une population témoin non irradiée. L’étude épidémiologique la plus importante a porté sur les survivants des bombardements d’Hiroshima et de Nagasaki. Les résultats de ces études ont montré une augmentation certaines des cancérigènes à des doses supérieurs à 0,5 Gy, délivré à fort débit. La figure si dessous montre la courbe dose-effet établie à partir des cancers observés chez les survivants d’Hiroshima et Nagasaki.
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Table des matières
Introduction
Chapitre I: Interactions rayonnements matières
I.1- Définition
I.1.1- Sources radioactives
I.1.2- Interactions des particules chargées avec la matière
I.1.3- Interactions du rayonnement électromagnétique avec la matière
I.2- Les applications utilisant les radioéléments
I.2.1- Dans le domaine de la santé
I.2.2- Dans le domaine industriel
I.2.3- Dans le domaine de l’agriculture
I.2.4- Dans le domaine énergétique
I.3- Effets des rayonnements ionisants sur les êtres vivant: l’Homme en particulier
I.3.1- La radiolyse de l’eau
I.3.2- Les effets sur l’ADN
I.3.3- Les effets déterministes ou non aléatoires
I.3.4- Les effets aléatoires ou stochastiques
I.4- Conclusion
Chapitre II: Réglementation internationale sur le transport des matières radioactives
II.1- Sûreté sur le transport des matières radioactives
II.1.1- Agence Internationale de régulation: AIEA
II.1.2- Les caractéristiques de la réglementation de l’AIEA
II.2- Sécurité sur le transport des matière radioactives
II.2.1- Critère de seuil de sécurité
II.2.2- Caractéristiques de sécurité des colis ou des radioéléments
II.2.3- Choix des moyens de transport
II.3- Conclusion
Chapitre III: L’Organisation de la sûreté sur le transport des matières radioactives au Sénégal
III.1- L’Autorité de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire au Sénégal
III.2- Réglementation sur le transport des matières radioactives au Sénégal
III.2.1- Rôle de la personne responsable du transport
III.2.2- Gestion des incidents et accidents et mise en œuvre des interventions
III.2.3- Dispositions pénales sur le transport des matières radioactives
III.3- Conclusion
Chapitre IV: Radioprotection sur le transport des matières radioactives
IV.1- Principes de la radioprotection sur le transport des matières radioactives
IV.2- Protection individuelle et collectif
IV.2.1- Méthodes de prévention contre les expositions ou protection physique
IV.22- Réglementations et recommandations
IV.3- Conclusion
Conclusion générale
Références
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