Dosimétrie des rayonnements

Nature de la radioactivité

Comme il a été écrit, les noyaux atomiques sont constitués de protons et de neutrons, qui s’attirent mutuellement par la force nucléaire , tandis que les protons se repoussent via la force électromagnétique en raison de leur charge positive. Ces deux forces se font concurrence, conduisant à une stabilité variée des noyaux. Il n’y a que certaines combinaisons de neutrons et de protons, qui forment des noyaux stables . Les neutrons stabilisent le noyau , car ils s’attirent les uns les autres et les protons, ce qui aide à compenser la répulsion électrique entre les protons. En conséquence, à mesure que le nombre de protons augmente, un rapport croissant de neutrons aux protons est nécessaire pour former un noyau stable. S’il y en a trop (les neutrons obéissent également au principe d’exclusion de Pauli ) ou trop peu de neutrons pour un nombre donné de protons, le noyau résultant n’est pas stable et subit une décroissance radioactive . La plupart des atomes trouvés dans la nature sont stables et n’émettent pas de particules ou d’énergie qui changent de forme au fil du temps. Sur les 82 premiers éléments du tableau périodique, 80 ont des isotopes considérés comme stables. Le technétium, le prométhium et tous les éléments ayant un numéro atomique supérieur à 82 sont instables et se décomposent par désintégration radioactive. Les isotopes instables se désintègrent spontanément par diverses voies de désintégration radioactive , le plus souvent la désintégration alpha, la désintégration bêta, la désintégration gamma ou la capture d’électrons. De nombreux autres types rares de désintégration, comme la fission spontanée ou l’émission de neutrons, sont connus.

Modes de décroissance

La désintégration nucléaire (désintégration radioactive) se produit lorsqu’un atome instable perd de l’énergie en émettant un rayonnement ionisant . La désintégration radioactive est un processus aléatoire au niveau d’atomes uniques, en ce que, selon la théorie quantique, il est impossible de prédire quand un atome particulier va se désintégrer. En d’autres termes, un noyau d’un radionucléide n’a pas de «mémoire». Un noyau ne «vieillit» pas avec le temps. Ainsi, la probabilité de sa décomposition n’augmente pas avec le temps, mais reste constante quelle que soit la durée d’existence du noyau. Pendant sa désintégration imprévisible, ce noyau instable se décompose spontanément et aléatoirementpour former un noyau différent (ou un état d’énergie différent – désintégration gamma), dégageant un rayonnement sous forme de particules atomiques ou de rayons de haute énergie. Cette décroissance se produit à un taux constant et prévisible qui est appelé demi-vie. Un noyau stable ne subira pas ce type de désintégration et n’est donc pas radioactif. Il existe de nombreux modes de désintégration radioactive:

• 

  Radioactivité alpha . La désintégration alpha est l’émission de particules alpha (noyaux d’hélium). Les particules alpha se composent de deux protons et de deux neutrons liés ensemble en une particule identique à un noyau d’hélium. En raison de sa très grande masse (plus de 7000 fois la masse de la particule bêta) et de sa charge, il ionise le matériau lourd et a une très courte portée .

• Radioactivité bêta . La désintégration bêta est l’émission de particules bêta . Les particules bêta sont des électrons ou des positons à haute énergie et à grande vitesse émis par certains types de noyaux radioactifs tels que le potassium-40. Les particules bêta ont une plus grande plage de pénétration que les particules alpha, mais encore beaucoup moins que les rayons gamma. Les particules bêta émises sont une forme de rayonnement ionisant également connu sous le nom de rayons bêta. La production de particules bêta est appelée désintégration bêta.
• Radioactivité gamma . La radioactivité gamma est constituée de rayons gamma. Les rayons gamma sont des rayonnements électromagnétiques (photons de haute énergie) de très haute fréquence et de haute énergie. Ils sont produits par la désintégration des noyaux lors de leur transition d’un état de haute énergie à un état inférieur appelé décroissance gamma. La plupart des réactions nucléaires s’accompagnent d’émissions gamma.
• Emission de neutrons . L’émission de neutrons est un type de désintégration radioactive de noyaux contenant des neutrons en excès (en particulier des produits de fission), dans lequel un neutron est simplement éjecté du noyau. Ce type de rayonnement joue un rôle clé dans le contrôle des réacteurs nucléaires , car ces neutrons sont des neutrons retardés .

Lois de conservation dans la désintégration nucléaire

En analysant les réactions nucléaires , nous appliquons les nombreuses lois de conservation . Les réactions nucléaires sont soumises aux lois classiques de conservation pour la charge, la quantité de mouvement, la quantité de mouvement angulaire et l’énergie (y compris les énergies de repos). Les lois de conservation supplémentaires, non prévues par la physique classique, sont:

• Loi de conservation du nombre de Lepton
• Loi de conservation du nombre de baryons
• Loi de conservation de la charge électrique

Certaines de ces lois sont respectées en toutes circonstances, d’autres non. Nous avons accepté la conservation de l’énergie et de l’élan. Dans tous les exemples donnés, nous supposons que le nombre de protons et le nombre de neutrons sont conservés séparément. Nous trouverons des circonstances et des conditions dans lesquelles cette règle n’est pas vraie. Lorsque nous envisageons des réactions nucléaires non relativistes, c’est essentiellement vrai. Cependant, lorsque nous envisageons les énergies nucléaires relativistes ou celles impliquant les interactions faibles, nous constaterons que ces principes doivent être étendus.

Certains principes de conservation sont nés de considérations théoriques, d’autres ne sont que des relations empiriques. Néanmoins, toute réaction non expressément interdite par les lois sur la conservation se produira généralement, peut-être à un rythme lent. Cette attente est basée sur la mécanique quantique. À moins que la barrière entre les états initial et final ne soit infiniment élevée, il y a toujours une probabilité non nulle qu’un système fasse la transition entre eux.

Aux fins de l’analyse des réactions non relativistes, il suffit de noter quatre des lois fondamentales régissant ces réactions.

1. Conservation des nucléons . Le nombre total de nucléons avant et après une réaction est le même.
2. Conservation de la charge . La somme des charges sur toutes les particules avant et après une réaction est la même
3. Conservation de l’élan . L’élan total des particules en interaction avant et après une réaction est le même.
4. Conservation de l’énergie . L’énergie, y compris l’énergie de masse au repos, est conservée dans les réactions nucléaires.

Référence: Lamarsh, John R. Introduction au génie nucléaire 2e édition

La radioprotection est la science et la pratique de la protection des personnes et de l’environnement contre les effets nocifs des rayonnements ionisants. L’Agence internationale de l’énergie atomique ( AIEA ) définit la radioprotection comme:

«La protection des personnes contre les effets nocifs de l’exposition aux rayonnements ionisants et les moyens d’y parvenir»

C’est un sujet sérieux non seulement dans les centrales nucléaires , mais aussi dans l’industrie ou dans les centres médicaux. Selon l’AIEA, la radioprotection peut être divisée en trois groupes:

• la radioprotection professionnelle, qui est la protection des travailleurs dans les situations où leur exposition est directement liée ou requise par leur travail
• radioprotection médicale, qui est la protection des patients exposés aux rayonnements dans le cadre de leur diagnostic ou traitement
• la radioprotection publique, qui est la protection des membres individuels du public et de la population en général

Selon la CIPR (Publication 103), le Système de Protection Radiologique est basé sur les trois principes suivants:

1. Justification . « Toute décision qui modifie la situation d’exposition aux radiations devrait faire plus de bien que de mal. »
2. Optimisation de la protection . «Les doses doivent toutes être maintenues à un niveau aussi bas que raisonnablement possible, en tenant compte des facteurs économiques et sociétaux.» (Connu sous le nom d’ALARA ou ALARP)
3. Limitation de dose . « La dose totale à un individu … ne doit pas dépasser les limites appropriées. »

Voir aussi: CIPR, 2007. Les recommandations de 2007 de la Commission internationale de protection radiologique. Publication 103 de la CIPR. Ann. ICRP 37 (2-4).

La Commission internationale de protection radiologique ( CIPR ) est une organisation indépendante, internationale et non gouvernementale créée par le Congrès international de radiologie de 1928 pour faire progresser au profit du public la science de la radioprotection. La CIPR est une organisation sœur de la Commission internationale des unités et mesures de rayonnement ( ICRU ), qui est un organisme de normalisation et élabore des concepts, des définitions et des recommandations pour l’utilisation des quantités et de leurs unités pour les rayonnements ionisants et son interaction avec la matière, en particulier en ce qui concerne les effets biologiques induits par le rayonnement.

Formes de rayonnement ionisant

Le rayonnement ionisant est classé selon la nature des particules ou des ondes électromagnétiques qui créent l’effet ionisant. Ces particules / ondes ont des mécanismes d’ionisation différents et peuvent être regroupées comme:

• Directement ionisant . Les particules chargées ( noyaux atomiques, électrons, positrons, protons, muons, etc. ) peuvent ioniser les atomes directement par interaction fondamentale à travers la force de Coulomb si elle transporte suffisamment d’énergie cinétique. Ces particules doivent se déplacer à des vitesses relativistes pour atteindre l’énergie cinétique requise. Même les photons (rayons gamma et rayons X) peuvent ioniser directement les atomes (bien qu’ils soient électriquement neutres) grâce à l’effet photoélectrique et à l’effet Compton, mais l’ionisation secondaire (indirecte) est beaucoup plus importante.
  • Rayonnement alpha . Le rayonnement alpha est constitué de particules alpha à haute énergie / vitesse. La production de particules alpha est appelée désintégration alpha. Les particules alpha se composent de deux protons et de deux neutrons liés ensemble en une particule identique à un noyau d’hélium. Les particules alpha sont relativement grandes et portent une double charge positive. Ils ne sont pas très pénétrants et un morceau de papier peut les arrêter. Ils ne parcourent que quelques centimètres mais déposent toutes leurs énergies le long de leurs courts trajets.
  • Rayonnement bêta . Le rayonnement bêta se compose d’électrons libres ou de positrons à des vitesses relativistes. Les particules bêta (électrons) sont beaucoup plus petites que les particules alpha. Ils portent une seule charge négative. Elles sont plus pénétrantes que les particules alpha, mais un mince métal d’aluminium peut les arrêter. Ils peuvent parcourir plusieurs mètres mais déposent moins d’énergie à n’importe quel point de leur trajet que les particules alpha.
• Ionisant indirectement . Les rayonnements ionisants indirects sont des particules électriquement neutres et n’interagissent donc pas fortement avec la matière. La majeure partie des effets d’ionisation sont dus à des ionisations secondaires.
  • Rayonnement photonique ( rayons gamma ou rayons X). Le rayonnement photonique est constitué de photons de haute énergie . Ces photons sont des particules / ondes (dualité onde-particule) sans masse au repos ni charge électrique. Ils peuvent parcourir 10 mètres ou plus dans les airs. Il s’agit d’une longue distance par rapport aux particules alpha ou bêta. Cependant, les rayons gamma déposent moins d’énergie le long de leurs trajectoires. Le plomb, l’eau et le béton arrêtent le rayonnement gamma. Les photons (rayons gamma et rayons X) peuvent ioniser les atomes directement par l’effet photoélectrique et l’effet Compton, où l’électron relativement énergétique est produit. L’électron secondaire continuera à produire de multiples événements d’ ionisation , donc l’ionisation secondaire (indirecte) est beaucoup plus importante.
  • Rayonnement neutronique . Le rayonnement neutronique se compose de neutrons libres à toutes les énergies / vitesses. Les neutrons peuvent être émis par fission nucléaire ou par désintégration de certains atomes radioactifs. Les neutrons ont une charge électrique nulle et ne peuvent pas provoquer directement l’ionisation. Les neutrons n’ionisent la matière qu’indirectement . Par exemple, lorsque les neutrons frappent les noyaux d’hydrogène, il en résulte un rayonnement protonique (protons rapides). Les neutrons peuvent aller des particules à haute vitesse et haute énergie aux particules à basse vitesse et basse énergie (appelées neutrons thermiques). Les neutrons peuvent parcourir des centaines de mètres dans l’air sans aucune interaction.

Rayonnement bêta

Le rayonnement bêta se compose d’électrons libres ou de positrons à des vitesses relativistes. Ces particules sont appelées particules bêta. Les particules bêta sont des électrons ou des positons à haute énergie et à grande vitesse émis par certains fragments de fission ou par certains noyaux radioactifs primordiaux tels que le potassium-40. Les particules bêta sont une forme de rayonnement ionisant également connu sous le nom de rayons bêta. La production de particules bêta est appelée désintégration bêta . Il existe deux formes de désintégration bêta, la désintégration d’électrons (désintégration β−) et la désintégration de positrons (désintégration β +) . Dans un réacteur nucléairese produit surtout la désintégration β−, car la caractéristique commune des produits de fission est un excès de neutrons ( voir Stabilité nucléaire ). Un fragment de fission instable avec l’excès de neutrons subit une désintégration β−, où le neutron est converti en proton, en électron et en antineutrino d’électrons .

La forme de cette courbe d’énergie dépend de la fraction de l’énergie de réaction (valeur Q – la quantité d’énergie libérée par la réaction) qui est transportée par l’électron ou le neutrino.

Matériaux de base pour le blindage des particules bêta.

Les principales caractéristiques du rayonnement neutronique sont résumées en quelques points suivants:

• Les neutrons sont des particules neutres – pas de charge électrique nette.
• Les neutrons ne peuvent pas provoquer directement l’ ionisation . Les neutrons n’ionisent la matière qu’indirectement.
• Les neutrons se dispersent avec des noyaux lourds de façon très élastique . Les noyaux lourds très durs ralentissent un neutron et encore moins absorbent un neutron rapide.
• Les neutrons peuvent parcourir des centaines de mètres dans l’air sans aucune interaction. Le rayonnement neutronique est très pénétrant .
• Pour les absorber, il faut d’abord ralentir les neutrons. Ce point ne peut être rempli que par un matériau contenant des noyaux légers (par exemple des noyaux d’hydrogène).
• Une absorption de neutrons (on dirait un blindage) provoque le déclenchement de certaines réactions nucléaires  (par exemple la capture radiative ou même la fission ), qui s’accompagnent d’un certain nombre d’autres types de rayonnement . En bref, les neutrons rendent la matière radioactive, c’est pourquoi, avec les neutrons, nous devons également protéger les autres types de rayonnement.
• Les neutrons libres (à l’extérieur d’un noyau) sont instables et se désintègrent via la désintégration bêta. La désintégration du neutron implique l’interaction faible et est associée à une transformation de quark (un quark down est converti en un quark up).
• La durée de vie moyenne d’un neutron libre est de 882 secondes (la demi-vie est donc de 611 secondes).
• Un fond naturel de neutrons de neutrons libres existe partout sur Terre et il est provoqué par des muons produits dans l’atmosphère, où des rayons cosmiques de haute énergie entrent en collision avec des particules de l’atmosphère terrestre.

Description des particules bêta

Les particules bêta sont des électrons ou des positons à haute énergie et à grande vitesse émis par certains fragments de fission ou par certains noyaux radioactifs primordiaux tels que le potassium-40. Les particules bêta sont une forme de rayonnement ionisant également connu sous le nom de rayons bêta. La production de particules bêta est appelée désintégration bêta . Il existe deux formes de désintégration bêta, la désintégration d’électrons (désintégration β−) et la désintégration de positrons (désintégration β +) . Dans un réacteur nucléaire se produit en particulier la désintégration β−, car la caractéristique commune des produits de fission est un excès de neutrons ( voir Stabilité nucléaire). Un fragment de fission instable avec l’excès de neutrons subit une désintégration β−, où le neutron est converti en proton, en électron et en antineutrino d’électrons .

Les particules alpha sont des noyaux énergétiques d’hélium . La production de particules alpha est appelée désintégration alpha. Les particules alpha se composent de deux protons et de deux neutrons liés ensemble en une particule identique à un noyau d’hélium. Les particules alpha sont relativement grandes et portent une double charge positive. Ils ne sont pas très pénétrants et un morceau de papier peut les arrêter. Ils ne parcourent que quelques centimètres mais déposent toutes leurs énergies le long de leurs courts trajets. Dans les réacteurs nucléaires, ils sont produits par exemple dans le combustible (désintégration alpha des noyaux lourds). Les particules alpha sont généralement émises par tous les noyaux radioactifs lourds présents dans la nature ( uranium, thorium  ou radium), ainsi que les éléments transuraniens (neptunium, plutonium ou américium). Des particules alpha particulièrement énergétiques (à l’exception des noyaux d’hélium accélérés artificiellement) sont produites dans un processus nucléaire, connu sous le nom de fission ternaire . Dans ce processus, le noyau d’uranium est divisé en trois particules chargées ( fragments de fission ) au lieu des deux normales. Le plus petit des fragments de fission est probablement (probabilité de 90%) étant une particule alpha extra-énergétique.

Description des particules bêta

Les particules bêta sont des électrons ou des positons à haute énergie et à grande vitesse émis par certains fragments de fission ou par certains noyaux radioactifs primordiaux tels que le potassium-40. Les particules bêta sont une forme de rayonnement ionisant également connu sous le nom de rayons bêta. La production de particules bêta est appelée désintégration bêta . Il existe deux formes de désintégration bêta, la désintégration d’électrons (désintégration β−) et la désintégration de positrons (désintégration β +) . Dans un réacteur nucléaire se produit en particulier la désintégration β−, car la caractéristique commune des produits de fission est un excès de neutrons ( voir Stabilité nucléaire). Un fragment de fission instable avec l’excès de neutrons subit une désintégration β−, où le neutron est converti en proton, en électron et en antineutrino d’électrons .

Lorsqu’un positron (particule d’antimatière) s’arrête, il interagit avec un électron, entraînant l’annihilation des deux particules et la conversion complète de leur masse au repos en énergie pure sous la forme de deux photons de 0,511 MeV dirigés de façon opposée.

Perte d’énergie fractionnelle par longueur de rayonnement dans le plomb en fonction de l’énergie des électrons ou des positons.Source: http://pdg.lbl.gov/

Matériaux de base pour le blindage des particules alpha et bêta.

La désintégration bêta ou la désintégration β représente la désintégration d’un noyau parent à une fille par l’émission de la particule bêta. Cette transition ( β ^– désintégration ) peut être caractérisé en tant que:

Si un noyau émet une particule bêta, il perd un électron (ou positron). Dans ce cas, le nombre de masse du noyau fille reste le même, mais le noyau fille formera un élément différent.

Exemple de désintégration bêta

Neutron gratuit

Un neutron libre  est un neutron qui n’est pas limité dans un noyau. Le neutron libre est, contrairement à un neutron borné, sujet à  la désintégration radioactive bêta .

Il se désintègre en un proton, un électron et un antineutrino (l’équivalent antimatière du neutrino, une particule sans charge et avec peu ou pas de masse). Un neutron libre se désintègre avec une demi-vie d’  environ 611 secondes  (10,3 minutes). Cette désintégration implique  l’interaction faible  et est associée à une transformation de quark (un quark down est converti en un quark up). La désintégration du neutron est un bon exemple des observations qui ont conduit à la découverte du  neutrino . Parce qu’il se désintègre de cette manière, le neutron n’existe pas dans la nature dans son état libre, sauf parmi d’autres particules hautement énergétiques dans les rayons cosmiques. Les neutrons libres étant  électriquement neutres, ils traversent les champs électriques à l’intérieur des atomes sans aucune interaction et interagissent avec la matière presque exclusivement par des collisions relativement rares avec des noyaux atomiques.

Il faut noter qu’un proton ne peut pas se désintégrer dans l’espace libre . Autrement dit, un proton peut subir une désintégration, mais uniquement à l’intérieur d’un noyau. Cela est dû à la conservation du nombre de baryons qui a été établi comme principe de base de la physique. Ce principe fournit la base de la stabilité du proton . Étant donné que le proton est la particule la plus légère de tous les baryons, les produits hypothétiques de sa désintégration devraient être des non-baryons.

Voir aussi: Stabilité du proton