La radioactivité, c'est quoi ? - SFEN

La radioactivité, c’est quoi ?

Publié le 17 octobre 2020 - Mis à jour le 23 avril 2021
Physique
Synthèse

Toute matière solide, liquide ou gazeuse, est composée de grains infiniment petits appelés « atomes ». Dans la nature, soit les atomes sont stables, c’est-à-dire qu’ils restent indéfiniment identiques à eux-mêmes, soit ils sont instables, c’est-à-dire que la composition de leurs noyaux est instable. Pour revenir à un état stable, ces atomes sont obligés de se transformer. Ils expulsent alors de l’énergie provenant de la modification de leurs noyaux, sous forme de rayonnement. C’est le phénomène de la radioactivité.

Intrinsèquement liée à la physique nucléaire, la radioactivité se traduit par des rayonnements d’énergie provoqués par la modification du noyau des atomes afin d’assurer leur stabilité.

L’atome se compose d’un noyau autour duquel gravitent à très grande vitesse des électrons. Le noyau est une agglomération de particules chargées d’électricité positive, les protons, et de particules sans charge électrique, les neutrons. Les électrons sont des particules chargées d’électricité négative.

Dans la nature, la plupart des noyaux d’atomes sont stables ; leur composition ne bouge pas. On dit qu’un atome est neutre du point de vue électrique car il possède autant d’électrons que de protons. Les atomes peuvent se regrouper et mettre en commun une partie de leur « cortège » électronique pour former des molécules.

D’autres noyaux sont instables car ils possèdent trop de protons ou de neutrons ou trop des deux. Pour revenir à un état stable, ils sont obligés de se transformer. Ils expulsent alors de l’énergie, provenant de la modification du noyau, sous forme de rayonnement. Les atomes sont appelés « radionucléides » ou « radioisotopes » (isotopes radioactifs). On en dénombre plus de 2 500.

 

 

La radioactivité est partout

La radioactivité est un phénomène naturel qui diminue au fil du temps. La durée de vie d’un radio- isotope dépend de sa période radioactive. Celle-ci correspond au temps nécessaire pour que la radioactivité soit divisée par deux. Ainsi, la période radioactive de l’iode 131 est de 8 jours ; celle du carbone 14, de 5 700 ans ; celle du potassium 40, de 1,3 milliard d’années.

Depuis la création de la Terre, il y a environ 4,5 milliards d’années, la matière est constituée d’éléments stables et d’éléments instables dits radioactifs. Depuis, la radioactivité n’a cessé de décroître puisque de nombreux atomes radioactifs se sont transformés pour l’essentiel en éléments stables et ont disparu. Certains atomes continuent leur transformation, alors que d’autres se forment toujours. La radioactivité est omniprésente, partout, y compris dans les organismes vivants : les tissus organiques et les os contiennent des éléments indispensables à la vie qui possèdent des isotopes radioactifs, comme le potassium 40 ou le carbone 14.

8 400
La radioactivité du corps humain est de l’ordre de 8 400 Bq(becquerel) pour une personne de 70 kg
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L’atome ou l’infiniment petit

Le diamètre d’un atome est minuscule, de l’ordre de 10 milliardièmes de mètre, et celui d’un noyau est 100 000 fois plus petit. Quasiment toute la masse d’un atome est concentrée dans son noyau. Celle-ci est extrêmement faible : la masse d’un proton est très voisine de celle d’un neutron et s’élève à 1,67 x 10 -27 kg, celle d’un électron est 1 800 fois plus faible.

Le diamètre d’un atome est minuscule, de l’ordre de 10 milliardièmes de mètre, et celui d’un noyau est 100 000 fois plus petit. Quasiment toute la masse d’un atome est concentrée dans son noyau. Celle-ci est extrêmement faible : la masse d’un proton est très voisine de celle d’un neutron et s’élève à 1,67 x 10 -27 kg, celle d’un électron est 1 800 fois plus faible.

La nature chimique d’un atome est déterminée par le nombre de protons contenus dans son noyau, de 1 pour l’hydrogène à 92 pour l’uranium. Ce sont les éléments chimiques naturels. Les atomes ayant plus de 92 protons dans leur noyau sont appelés transuraniens et ont été créés par l’homme (le maximum aujourd’hui atteint est l’élément chimique à 112 protons).

Deux atomes qui ont le même nombre de protons appartiennent au même élément chimique. Mais deux atomes d’un même élément chimique peuvent avoir un nombre différent de neutrons : ces atomes sont alors appelés isotopes de l’élément chimique. Par exemple, l’U235 et l’U238 sont deux isotopes de l’uranium. Ils comportent tous deux 92 protons, mais l’U235 possède 143 neutrons et l’U238, 146 neutrons.

Les atomes isotopes peuvent être présents à l’état naturel ou bien être créés de manière artificielle. N’ayant pas la même masse, les noyaux d’atomes isotopes ont des propriétés physiques différentes. Par exemple, l’hydrogène (1 proton) et son isotope appelé deutérium (1 proton + 1 neutron) ne sont pas radioactifs mais son autre isotope appelé tritium (1 proton, 2 neutrons) est radioactif.

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Une goutte d’uranium contient 10 000 milliards de milliards d’atomes
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Zoom sur 3 radio-isotopes

L’uranium : l’uranium naturel, tel qu’il est extrait du sol, est constitué de trois isotopes : l’uranium 238 pour 99,3 %, l’uranium 235 pour 0,7 %, et des traces infimes d’uranium 234. L’uranium compte également trois isotopes artificiels, les uraniums 236, 233 et 232, produits en réacteurs à partir d’uranium 235 et de thorium…

L’uranium : l’uranium naturel, tel qu’il est extrait du sol, est constitué de trois isotopes : l’uranium 238 pour 99,3 %, l’uranium 235 pour 0,7 %, et des traces infimes d’uranium 234. L’uranium compte également trois isotopes artificiels, les uraniums 236, 233 et 232, produits en réacteurs à partir d’uranium 235 et de thorium. Pour être utilisé efficacement comme combustible, l’uranium naturel doit être enrichi en uranium 235. Cette opération d’enrichissement se fait en France à l’usine Georges Besse du Tricastin. Il ne faut pas confondre cet uranium enrichi utilisé pour produire de l’électricité avec l’uranium très enrichi (plus de 90 % d’uranium 235) utilisé à des fins militaires dans des installations spécialisées.

Le plutonium : présent naturellement dans la croûte terrestre, le plutonium se forme dans les réacteurs nucléaires alimentés en uranium à partir de l’uranium 238. Sa valeur énergétique est certaine et démontrée. Sa gestion actuelle permet une maîtrise des stocks tout en conservant toutes les options ouvertes pour l’avenir. Une partie du plutonium est ainsi utilisée pour la fabrication de combustible MOX. A terme, le développement de réacteurs à neutrons rapides (4e génération) permettra une plus grande valorisation énergétique du plutonium. Comme pour l’uranium, il ne faut pas le confondre avec le plutonium très concentré en isotope 239 utilisé dans les armes et fabriqué dans des installations spécialisées.

Le thorium : présent en abondance dans le sous-sol terrestre, le thorium est présenté comme une alternative possible à l’uranium pour alimenter les futurs réacteurs nucléaires de 4e génération. Pour amorcer un cycle au thorium, il est nécessaire d’avoir de l’uranium fissile (U-233 ou U-235) ou du plutonium fissile (Pu-239), un combustible mature et des installations adaptées. La production industrielle de cette énergie à grande échelle grâce au thorium n’est donc pas pour demain : un réacteur commercial ne sera pas opérationnel avant 20 ou 30 ans.

Un peu d’histoire

Le phénomène de la radioactivité a été découvert à la fin du XIXe siècle par les physiciens Henri Becquerel et Pierre et Marie Curie. Poursuivant leurs travaux, Frédéric et Irène Joliot-Curie ont mis en évidence la transformation des atomes de l’uranium. Depuis, la radioactivité est devenue un sujet d’études à l’échelle mondiale et d’applications, de plus en plus présentes dans notre quotidien, comme par exemple, la production d’électricité, la prévention/guérison de cancers.

La Radioactivité – Manuel d’initiation, de Yves Chelet – Nucléon – août 2006

Tout sur l’énergie nucléaire d’Atome à Zirconium – AREVA 2009

Henri Becquerel, Pierre et Marie Curie et la radioactivité : contexte, circonstances et portée des découvertes fondatrices, du Professeur Maurice Tubiana et Michel Durr – RGN 1, Janvier-Février 1996 Dossier « La radioactivité dans le siècle » : https://rgn.publications.sfen.org/articles/rgn/abs/1996/01/rgn19961p7/rgn19961p7.html

Vidéo : Cet élément est radioactif ! (tritium) : https://www.youtube.com/watch?v=E3T_gT4vnNE

Lieu à visiter : musée Curie – 1, rue Pierre et Marie Curie, 75005 Paris