Risques nucléaire et radiologique

Depuis la découverte des rayons X par Röntgen en 1895 et celle de la radioactivité par Becquerel en 1896, l'utilisation des rayonnements ionisants s'est rapidement développée en médecine, dans la recherche, dans l'industrie et aussi à des fins militaires. Si les applications des rayonnements ionisants ont été source de grands progrès aussi bien en médecine que dans l'industrie, leurs effets nocifs ont été reconnus dès l'apparition d'accidents cutanés en 1896 et de cancers radio-induits en 1902, nécessitant une réglementation stricte pour s'en protéger.

Après les événements du 11 septembre 2001, l'hypothèse d'un attentat terroriste radiologique par rayonnements ionisants, voire nucléaire n'est plus à écarter. Afin de se préparer à une telle éventualité, il faut connaître les risques dus aux rayonnements ionisants, savoir les détecter, s'en protéger et être capable de prendre en charge un blessé irradié ou contaminé.

1. Les rayonnements ionisants

Des rayonnements sont dits ionisants, lorsqu'ils disposent d'une énergie suffisante pour pouvoir arracher des électrons aux atomes (ionisation). Les rayons ionisants sont :

• soit des particules (α, β, neutrons) ;
• soit des ondes électromagnétiques (photons X ou γ).

Ils ont pour origine des radionucléides naturels ou artificiels, des générateurs électriques, des installations industrielles, médicales ou de recherche (stérilisateurs alimentaires, matériels médicaux, accélérateurs de particules) ainsi que des activités utilisant l'énergie nucléaire (réacteurs et armes nucléaires).

1.1. La radioactivité

Les atomes ont une structure générale identique avec un noyau, constitué de deux types de particules, les neutrons, et les protons, autour duquel gravitent des électrons.

Les protons sont des particules élémentaires chargées positivement. Les neutrons sont des particules de même taille et de même poids que les protons mais sans charge. Les électrons sont des particules 2 000 fois plus légères chargées négativement. Dans un atome électriquement neutre, il y a autant d'électrons que de protons.

Le nombre de protons (Z ou numéro atomique) contenus dans l'atome permet d'identifier un élément chimique. L'oxygène contient toujours 8 protons, l'azote 7, le carbone 6 et l'uranium 92. L'addition du nombre de protons et de neutrons est le nombre de masse (A). Lorsque des atomes d'un même élément (même nombre de protons ou Z identique) possèdent un nombre différent de neutrons, ce sont des isotopes. Ceux-ci peuvent être stables ou instables. S'ils sont instables, ce sont des isotopes radioactifs, encore appelés radio-isotopes ou radionucléides. U235 et U238 sont deux isotopes de l'uranium contenant respectivement 143 et 146 neutrons. Pour tendre vers la stabilité, leur noyau se transforme en libérant un trop plein de matière et/ou d'énergie (désintégration radioactive). Ce phénomène est la radioactivité.

On distingue quatre modalités de désintégration radioactive, donnant naissance à quatre types de rayonnements ionisants : les rayonnements alpha, bêta, neutronique et gamma.

La radioactivité alpha est le mode de désintégration privilégié des éléments très lourds comme l'uranium 235, l'uranium 238, le plutonium 239 ou le radon 222. Elle se traduit par l'émission d'une grosse particule chargée, constituée de 2 protons et 2 neutrons (noyau d'hélium). L'énergie du rayonnement alpha émis est spécifique de chaque isotope. Ceci permet une identification précise du radionucléide.

La radioactivité bêta est le mode de désintégration de très nombreux radionucléides. Elle se traduit par l'émission d'une petite particule chargée, issue du noyau, similaire à un électron ou à un positon (électron chargé positivement). La particule bêta a une énergie variant de zéro à une énergie maximale, propre au noyau considéré. L'identification des radionucléides émetteurs bêta est assez complexe.

L'émission neutronique spontanée est peu fréquente. Elle fait suite à des phénomènes complexes comme, par exemple, la fragmentation de certains noyaux très lourds appelée fission spontanée.

Les neutrons sont essentiellement rencontrés auprès de sources neutroniques artificielles spécifiques ou des réacteurs nucléaires. Leur détection est difficile. L'identification des sources neutroniques se fait le plus souvent au travers des autres types de radioactivité qui lui sont associés.

La radioactivité gamma se rencontre fréquemment dans la nature. Elle concerne de très nombreux noyaux radioactifs. A la suite d'une désintégration alpha ou bêta ou d'une émission neutronique, le noyau peut se trouver dans un état encore instable. L'excès d'énergie est émis sous la forme d'un grain d'énergie appelé photon gamma, sans masse ni charge. Le ou les rayonnements gamma émis par un radionucléide sont spécifiques. Il est donc possible de réaliser une identification précise d'un radionucléide en mesurant l'énergie des photons émis.

1.2. Les générateurs électriques de rayonnements ionisants

Les rayonnements ionisants peuvent aussi être obtenus en apportant de l'énergie en quantité suffisante à la matière. C'est le principe des générateurs de rayons X et des accélérateurs de particules.

Les rayons X et gamma sont de même nature (photons). Toutefois, les rayons gamma proviennent du noyau alors que les rayons X sont issus du cortège électronique de l'atome. Les rayons X peuvent avoir deux origines :

• le réarrangement électronique : leur énergie est alors spécifique de l'élément chimique considéré et non de l'isotope ;
• le phénomène de freinage d'électrons incidents (effet Bremsstrahlung) : leur énergie, non spécifique, varie entre 0 et une énergie maximum directement fonction de l'énergie initiale de l'électron.

Dans un tube à rayons X, une cathode et une anode sont soumises à une différence de potentiel de plusieurs dizaines de milliers de volts. Les électrons, émis par la cathode chauffée, accélérés par la DDP, interagissent avec les noyaux et les électrons périphériques de l'anode. Les rayons X sont produits par les deux phénomènes évoqués ci-dessus (figure 1).

Les accélérateurs utilisent des particules chargées à une beaucoup plus haute énergie que ce que l'on peut obtenir avec une simple différence de potentiel. Ils comportent des risques propres à chaque type d'installation, liés aux types de rayonnements émis et à la possibilité de créer des sources radioactives artificielles.

1.3. Comparaison du risque entre sources radioactives et générateurs électriques

L'émission de rayonnements ionisants par une source radioactive obéit à une loi de décroissance dans le temps sur laquelle on ne peut agir. Il est donc nécessaire d'utiliser, en permanence, des moyens de protection adaptés.

Les générateurs électriques obéissent à un effet «On/Off» lié à la présence ou à l'absence d'alimentation électrique. Cependant, ils peuvent laisser persister des risques dus à une tension résiduelle ou à l'activation de la matière avec les accélérateurs de haute énergie.

2. Les principales sources de rayonnements ionisants

Le risque radiologique et nucléaire est omniprésent dans notre société. En effet, les rayonnements ionisants se rencontrent dans des domaines extrêmement variés, parfois insoupçonnés. On distingue les sources radioactives, les générateurs électriques et les activités utilisant l'énergie nucléaire.

2.1. Les sources radioactives

Les sources radioactives se présentent sous forme scellée (normalement non dispersible dans l'environnement) ou sous forme non scellée (dispersible).

Les applications industrielles des sources scellées comprennent essentiellement la radiographie, les jauges radiométriques et le radiotraitement. Les laboratoires de recherche utilisent la plupart des sources radioactives disponibles, associées à des radionucléides plus inhabituels en fonction de leurs activités spécifiques.

Les sources de contrôle non destructif sont utilisées pour faire des radiographies de matériaux.

La gammagraphie utilise essentiellement des sources d'iridium 192, parfois de cobalt 60. L'activité des sources les plus usuelles est importante, de l'ordre de 3 000 gigabecquerels (GBq). Les gammagraphes sont des matériels très répandus (plus de 700 en circulation en France). La source d'un gammagraphe est un petit cylindre d'acier mesurant environ 2 cm de long sur 5 mm de diamètre (figure 2).

Leurs faibles dimensions amènent à sous-estimer le danger potentiel qu'elles représentent quand elles sont manipulées par des personnes non averties. Elles sont à l'origine des accidents d'irradiation les plus graves.

La neutronographie utilise des sources neutrons comme le californium 252 ou le couple américium/béryllium. La neutronographie est utilisée pour radiographier des matériaux hydrogénés.

La bêtagraphie, utilisant des sources bêta comme le carbone 14, est citée pour mémoire.

Les jauges radiométriques s'appuient sur un couple source radioactive/détecteur. En mesurant l'absorption des rayonnements ionisants par un matériau, on détermine la valeur d'un paramètre. Il existe des jauges de niveau, d'épaisseur et de densité dont les sources ont une activité moyenne de l'ordre de 30 GBq. Les jauges d'humidité, pour la recherche d'éléments chimiques très légers comme l'eau ou les hydrocarbures en prospection géologique, utilisent des sources de portables du même type que celles utilisées en neutronographie.

Le radiotraitement chimique et biologique utilise les rayonnements gamma. La chimie sous rayonnements ionisants emploie des sources de cobalt 60 ou de césium 137 de très forte activité, de plus de 37 000 GBq, pour le traitement de certains plastiques ou pour la radiostérilisation de produits médicaux, d'aliments ou de cosmétiques. Ces sources obéissent à une législation particulière concernant leur sécurité d'emploi.

On peut aussi trouver des sources scellées pour d'autres utilisations, par exemple dans les anciens paratonnerres, dans des dispositifs d'élimination de l'électrostatisme, ou encore dans certains détecteurs de fumée. Même si ces sources ont toujours de très faibles activités, leur remplacement par des technologies n'utilisant pas de rayonnements ionisants est toujours privilégié.

L'utilisation de sources non scellées avec la fabrication d'objets radioluminescents n'est plus fréquente en milieu industriel. Elle concerne essentiellement les traceurs pour études hydrologiques, les contrôles d'usure de pièces ou la recherche de fuites.

En milieu médical, les sources radioactives scellées servent en radiothérapie pour effectuer des traitements in situ (curiethérapie) ou à distance (radiothérapie externe). En France, les sources de curiethérapie sont constituées d'iridium ou de césium, tous deux émetteurs bêta et gamma. Les activités de ces sources sont inférieures à 37 GBq. Pour la radiothérapie externe, le cobalt 60 a remplacé le césium 137. Ce sont des sources de très petite taille (quelques centimètres) ayant des activités très importantes, supérieures à 37 000 GBq.

En médecine, les radionucléides sous forme non scellée ont trois utilisations.

Les analyses biologiques : les radio-marqueurs sont progressivement remplacés par des marqueurs non radioactifs. Les radionucléides utilisés sont très variés. Les quantités détenues sont en général faibles afin de limiter les risques d'exposition.

L'imagerie médicale : les services de médecine nucléaire utilisent des médicaments radio-pharmaceutiques à visée diagnostique, qui sont administrés au patient afin d'obtenir une image fonctionnelle d'un tissu ou d'un organe.

La thérapeutique : les médicaments radio-pharmaceutiques peuvent constituer un traitement à eux seuls, par exemple l'iode 131 pour le traitement du cancer de la thyroïde. Les quantités de radionucléides sous forme non scellée détenues par les services de médecine nucléaire peuvent être importantes : pour traiter un cancer de la thyroïde, on utilise environ 3,7 GBq par patient.

2.2. Les générateurs électriques de rayonnements ionisants

Les applications industrielles des générateurs électriques de rayonnements ionisants sont voisines de celles des sources radioactives. La principale différence réside dans le fait que ces appareils nécessitent une alimentation électrique que l'on peut couper à tout moment, ce qui interrompt l'émission des rayonnements ionisants.

Les applications médicales comprennent le radiodiagnostic et la radiothérapie.

Le radiodiagnostic médical est, pour l'homme, la plus grande source d'exposition aux rayonnements ionisants artificiels. Il utilise les appareils de radiographie standard et les scanners X.

Les générateurs électriques utilisés en radiothérapie sont des accélérateurs d'électrons de moyenne énergie (20 millions de volts) qui permettent d'obtenir un faisceau d'électrons ou des rayons X.

Dans le domaine de la recherche, les grands accélérateurs et les instruments scientifiques servant à l'étude de la structure fine de la matière induisent des risques très variables. Tous les types de rayonnements ionisants peuvent être rencontrés. Certaines installations sont à l'origine de phénomènes d'activation laissant persister un risque radiologique, même après l'arrêt de l'installation.

2.3. Les activités utilisant l'énergie nucléaire

Les activités utilisant l'énergie nucléaire, représentées par les réacteurs et les armes, sont à considérer séparément, compte tenu de leurs grandes nuisances potentielles et de leurs caractéristiques propres. Elles ont pour but la production d'énergie.

2.3.1. Les réacteurs nucléaires

On identifie deux grandes familles de réacteurs nucléaires : les réacteurs de puissance utilisés pour produire de la vapeur puis de l'énergie électrique et les réacteurs de recherche. Leurs technologies peuvent être très différentes selon les pays, mais leur unique principe de fonctionnement est encore aujourd'hui la fission nucléaire. Le projet ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) actuellement en développement à Cadarache repose sur l'utilisation de la fusion nucléaire.

Principe de fonctionnement d'un réacteur de puissance

Le noyau de certains gros atomes a la propriété de se casser, généralement en deux, sous l'effet d'une collision avec des neutrons : c'est la fission nucléaire. La fission aboutit à la création de nouveaux noyaux plus petits, généralement radioactifs, appelés produits de fission (en général émetteurs bêta et gamma), de beaucoup d'énergie et de quelques neutrons qui peuvent entretenir la réaction en chaîne. Dans un réacteur, cette réaction doit être constamment contrôlée. Pour chaque fission, environ un neutron sur les deux ou trois produits, est rendu utilisable pour une nouvelle fission.

L'énergie produite lors de la fission est récupérée par un caloporteur (de l'eau par exemple) qui sert à chauffer un deuxième circuit sans contact direct avec le premier, dans lequel est produite de la vapeur. Cette vapeur est utilisée dans une turbine pour produire de l'électricité. En simplifiant à l'extrême, on peut dire qu'un réacteur de puissance sert à transformer une partie de l'énergie interne du noyau en énergie électrique (figure 3).

Radioactivité et réacteur nucléaire

Un certain nombre de gros noyaux peuvent fissionner dans les réacteurs. Les noyaux fissiles les plus couramment utilisés sont l'uranium 235 et le plutonium 239. Ces noyaux sont radioactifs. L'uranium 235 existe naturellement dans la croûte terrestre en raison de sa période très longue (de l'ordre du milliard d'années). Le plutonium 239 a existé naturellement lors de la création de la Terre, mais a disparu en raison de sa période relativement courte (24 000 ans) comparée à l'âge de la Terre.

La fission des noyaux donne naissance à des produits qui représentent l'essentiel de la radioactivité d'un réacteur. Parfois, les noyaux fissiles ne fissionnent pas sous l'effet de la collision avec un neutron, mais absorbent ce dernier. On obtient alors des noyaux plus gros que celui d'origine, appelés transuraniens qui n'existent pas naturellement sur la Terre. Le plutonium 239 est un transuranien typique. Ces transuraniens sont essentiellement des émetteurs alpha.

Par capture de neutrons issus des réactions en chaîne, un certain nombre de noyaux stables peuvent se transformer en isotopes radioactifs. Ces produits d'activation, comme le cobalt 60, sont en général des émetteurs bêta et gamma.

Risques associés

Lors d'un accident grave, le risque majeur est celui de la dispersion de radionucléides. Les principaux radionucléides pris en compte sur le plan sanitaire sont l'iode, le strontium et le césium. Toutefois le principe de sûreté d'un réacteur nucléaire s'appuie sur le concept de défense en profondeur (répétition des barrières de sécurité), ce qui permet d'éliminer quasiment tout risque de survenue de ce type d'événement.

2.3.2. Les armes nucléaires

Les armes nucléaires peuvent fonctionner selon deux modes très différents, la fission ou la fusion nucléaire.

Principe de fonctionnement

Les armes à fission utilisent le principe de la réaction en chaîne non contrôlée, c'est-à-dire que chaque fission est à l'origine de plusieurs neutrons. Il y a une progression géométrique du nombre de fissions, qui aboutit à la libération d'une quantité d'énergie très importante émise dans un temps extrêmement court. A Hiroshima et Nagasaki, les deux bombes étaient de ce type.

Les armes à fusion (thermonucléaire) ont un principe de fonctionnement différent. Elles utilisent le fait que la réunion de deutérium et de tritium, deux noyaux très légers, en un seul noyau d'hélium libère une très grande quantité d'énergie. Cette réaction très particulière ne peut avoir lieu qu'avec des températures de plusieurs millions de degrés et des pressions très importantes. Ces conditions peuvent être réunies lors de la fission nucléaire. Pour réaliser une arme à fusion, on utilise un détonateur, constitué d'une petite arme à fission qui sert d'amorce à la réaction de fusion. La fusion permet de produire des armes beaucoup plus puissantes dans un volume moindre.

Risques associés

Selon le type d'arme nucléaire considéré, les radionucléides présents peuvent être, pour l'essentiel, l'uranium 235, l'uranium 238, le plutonium 239 ou le tritium. Les trois premiers radionucléides sont des émetteurs alpha, le tritium est un émetteur bêta de très faible énergie. Une arme nucléaire contient plusieurs kilogrammes de plutonium 239.

Risques accidentels

La conception des armes nucléaires françaises comporte une préoccupation de sûreté maximale. Ainsi, tout est fait pour qu'une explosion nucléaire ne puisse avoir lieu que si l'ensemble des sécurités en cascade a été levé. En termes de probabilité, on peut dire qu'il y a plus de risque de mourir en France à la suite de la percussion de la Terre par une météorite que par l'explosion spontanée d'une arme nucléaire française. Il existe deux autres risques propres aux armes nucléaires :

• l'accident radiologique qui consiste en la dispersion dans l'environnement de la matière radioactive contenue dans l'arme, sans détonation ni incendie ;
• l'accident pyro-radiologique qui consiste en la dispersion dans l'environnement de la matière radioactive contenue dans l'arme, avec détonation de l'explosif chimique et/ou incendie.

3. Caractérisation des sources et unités opérationnelles

Afin de caractériser à la fois les sources de rayonnements ionisants et les effets de ces rayonnements, des grandeurs et des unités spécifiques ont été développées. La compréhension de ces unités et de leurs rapports est nécessaire pour bien interpréter les mesures et les placer dans une échelle de risque. La connaissance de la nature d'une source radioactive permet de déterminer le type et l'énergie des rayonnements émis et inversement. Suivant le type de rayonnements ionisants émis par une source radioactive ou un générateur électrique (alpha, bêta, gamma, rayon X, neutron), les moyens de détection, de mesure et de protection à utiliser seront différents.

3.1. Energie

L'énergie du rayonnement ionisant conditionne, pour partie, la pénétration du rayonnement dans la matière et donc les moyens de protection à mettre en place. L'unité employée pour quantifier l'énergie d'un rayonnement ionisant est l'électron volt. Un électron volt est la quantité d'énergie acquise sur une distance de 1 mètre par un électron soumis à une différence de potentiel de 1 volt. L'énergie s'exprime le plus souvent en kilo-électronvolt (keV) ou en méga-électronvolt (MeV).

Pour les générateurs électriques, la grandeur prise en compte est en général la tension accélératrice exprimée en kilovolt (kV) ou en mégavolt (MV). Pour les électrons et les rayons X produits, leur énergie maximum exprimée en MeV est égale à la valeur de la tension en MV.

3.2. Activité

L'activité d'une source radioactive, notée A, correspond au nombre de désintégrations nucléaires spontanées par unité de temps (seconde) d'un atome radioactif. L'activité d'une source dépend du nombre d'atomes radioactifs présents à l'instant considéré et de la probabilité de désintégration par seconde de chaque atome (constante radioactive λ).

L'unité d'activité est le becquerel (Bq). Un Bq vaut une désintégration par seconde. Cette unité, très petite, nécessite l'emploi de multiples : méga, giga et térabecquerel, respectivement 10⁶ (MBq), 10⁹ (GBq) et, 10¹² (TBq). L'unité utilisée avant 1975 était le curie (Ci), défini comme 37 milliards de désintégrations par seconde, soit approximativement l'activité d'un gramme de radium 226 (1 Ci = 37 GBq).

Pour les générateurs électriques, on ne parle pas d'activité. La grandeur la plus proche, car elle conditionne le nombre de rayonnements émis, est l'intensité du courant électrique alimentant le générateur, généralement exprimée en milliampère (mA).

3.3. Période radioactive

Tous les corps radioactifs obéissent à la même loi, de type exponentielle décroissante, qui est fonction du temps écoulé mais aussi de la constante λ, propre à chaque radionucléide.

Cette équation s'écrit : N_t=N_o.e^-λt.

N_o est le nombre d'atomes radioactifs à l'instant t_o considéré comme point de départ de l'observation, t est le temps écoulé depuis t_o, λ est la constante radioactive du radionucléide.

La constante radioactive λ est une grandeur particulièrement difficile à appréhender. On lui préfère habituellement une grandeur remarquable appelée la période radioactive, notée T, qui exprime le temps nécessaire pour que l'activité soit divisée par deux (figure 4).

La relation entre T et λ est : T = 0,693/λ ou plus précisément T=ln2/λ.

Cette formule se déduit de la précédente.

En effet, si l'activité est divisée par deux, on écrit : A = A₀/2 et N₀/2 = N₀e^-λt

ce qui, en passant aux logarithmes, équivaut à ln(N₀/2) = ln(N₀e^-λt) soit lnN₀ - ln2 = lnN₀ - λt

qui, après simplification, devient : ln2 = λt

L'activité A au bout du temps t= nT est A= A_o/2ⁿ où n est le nombre de périodes.

Connaissant l'activité initiale d'une source (A₀ à l'instant t₀), on peut rapidement avoir une idée de son activité à un instant t. En effet, au bout du temps t=T, l'activité est divisée par 2 ; au bout de t=2T, elle est divisée par 4 ; au bout de t= 3T elle est divisée par 8 et ainsi de suite. Par exemple, si la période d'un radionucléide est de 2 minutes, au bout de 20 minutes, l'activité initiale A₀ sera divisée par 2¹⁰, soit 1024.

La constante λ et la période T sont caractéristiques de chaque radionucléide et ne peuvent pas être modifiées. L'activité d'une source est directement reliée au nombre d'atomes radioactifs présents et donc à sa masse. Néanmoins, les différences de période radioactive ou de masse atomique justifient une très grande variabilité dans l'activité massique (figure 5).

3.4. Effets de l'exposition

D'autres unités sont nécessaires pour quantifier l'effet des rayonnements ionisants.

3.4.1. Effets physiques : dose absorbée et débit de dose

L'interaction d'un faisceau de rayonnements ionisants avec la matière aboutit à des dépôts d'énergie localisés, entraînant des ionisations (arrachement d'électrons aux atomes) et des excitations (augmentation du niveau énergétique d'électrons qui restent liés aux atomes). Les effets physiques des rayonnements ionisants résultant des phénomènes d'ionisation et d'excitation sont proportionnels à la quantité d'énergie déposée dans la matière (énergie déposée par unité de masse).

La dose absorbée (D), exprimée en gray (Gy), est le rapport de l'énergie déposée (ΔE) dans un volume irradié sur la masse de ce volume (Δm). Un gray correspond au dépôt d'une énergie de 1 joule dans une masse de 1 kg. L'ancienne unité de la dose absorbée était le rad (100 rad = 1 Gy).

D=ΔE/Δm

La dose absorbée peut se mesurer ou s'évaluer à partir de tables en fonction des caractéristiques de la source.

Le débit de dose est la dose absorbée par unité de temps (Gy/h, mGy/h...).

3.4.2. Effets biologiques

La dose absorbée permet d'évaluer les effets physiques et biologiques des fortes doses (plusieurs grays). En revanche, dans des gammes de doses plus faibles (inférieures à 1 gray) et à faible débit de dose (de l'ordre de 0,1 gray/h), les observations montrent que, pour une même dose absorbée, il existe des différences sensibles pour certains effets biologiques (effets génétiques et cancérigènes) selon la nature du rayonnement et des tissus exposés.

La dose équivalente H reçue au niveau d'un organe ou d'un tissu dépend du type de rayonnement incident (R). Elle est calculée en multipliant la dose absorbée par l'organe ou le tissu par un facteur de pondération radiologique, W_R, qui exprime l'efficacité biologique spécifique (la toxicité) du rayonnement.

H = D.W_R

W_R, sans unité, varie de 1 pour les rayonnements gamma, à 20 pour les rayonnements alpha et certains neutrons. Cette variation de 1 à 20 s'explique par des modalités différentes d'interaction avec la matière, conduisant à des effets différents au niveau des tissus.

La dose équivalente s'exprime en sievert (Sv). On utilise plus fréquemment des sous-multiples tels que le millisievert (mSv) et le microsievert (µSv). L'ancienne unité était le rem (1 Sv = 100 rem).

Pour une dose de 1 mGy absorbée par un tissu, la dose équivalente H à un organe ou tissu est de 1 mSv avec des rayonnements gamma ou bêta, alors qu'elle est de 20 mSv avec des rayonnements alpha.

La dose efficace E dépend du type de rayonnement (R) et de la nature des organes ou tissus irradiés (T). Elle quantifie au niveau de l'organisme entier le risque biologique (effets génétiques et cancérigènes) lié à l'irradiation de chaque organe. Exprimée en sievert, elle est déterminée en multipliant la dose équivalente par un facteur de pondération tissulaire W_T défini pour chacun des principaux organes.

E = ∑H.W_T = ∑D.W_R.W_T

Les valeurs de W_R (figure 6) et W_T (figure 7) actualisées sont disponibles dans la CIPR 103 de décembre 2007. Elles sont présentées dans les tableaux.

W_R est un coefficient sans unité : on peut le qualifier de coefficient de toxicité du rayonnement.

W_T est un coefficient sans unité. On peut le qualifier de coefficient de sensibilité des tissus et organes.

La dose efficace est égale à :

E = H . W_T = D . W_R . W_T

La dose efficace totale est la somme des doses efficaces dues aux irradiations des différents tissus ou organes :

E = ∑ H_T . W_T

L'unité de dose efficace est le sievert (Sv)

On utilise habituellement le mSv ou le µSv.

Pour l'organisme entier W_T = 1. La dose efficace est utilisée pour les limites réglementaires à l'organisme entier.

Exemple d'application

Si un sujet reçoit une dose équivalente de 10 mSv au niveau du poumon, le facteur W_T pour le poumon étant 0,12, la dose efficace est de 1,2 mSv. Cela signifie qu'une dose de 10 mSv absorbée par le poumon engendre le même niveau de risque qu'une dose de 1,2 mSv absorbée par l'organisme entier.

4. Modalités d'exposition

L'exposition aux rayonnements ionisants peut prendre trois formes distinctes, qui peuvent parfois être combinées : l'exposition externe à distance (ou irradiation), l'exposition externe au contact (ou contamination externe) et l'exposition interne (ou contamination interne) (figure 8).

4.1. Exposition externe à distance

Les rayonnements ionisants émis par une source située à distance de l'organisme peuvent atteindre celui-ci, soit directement, soit indirectement après diffusion sur les objets situés dans le champ de rayonnement. Lorsque l'organisme n'est plus exposé à la source, l'irradiation externe cesse immédiatement.

Les risques liés à une exposition externe dépendent de la nature du rayonnement incident.

• Les rayonnements alpha ont un parcours (profondeur de pénétration ou distance parcourue dans un milieu donné) dans l'air de quelques centimètres et sont arrêtés par la couche cornée de la peau, faite de cellules mortes. Ils ne présentent donc aucun risque en exposition externe.
• Les rayonnements bêta ont un parcours de l'ordre du mètre dans l'air et de quelques millimètres dans les tissus vivants. Ils peuvent donc être à l'origine d'une exposition de la peau et du derme profond. A forte énergie, ils peuvent provoquer une exposition profonde due aux rayonnements de freinage.
• Les rayonnements gamma ont un parcours de plusieurs kilomètres dans l'air et de quelques mètres dans les tissus vivants : ils atteignent la peau, le derme et tous les tissus profonds.
• Les neutrons ont un parcours de l'ordre du kilomètre dans l'air et du mètre dans les tissus vivants. Ils comportent les mêmes risques que les rayonnements gamma.

L'accident de San Salvador

Cet accident, survenu au Salvador en février 1989, est un exemple typique d'exposition externe. A San Salvador, trois employés d'une entreprise de stérilisation industrielle utilisant une très importante source de cobalt 60 de 600 TBq (soit plus de 15 000 Curies), sont gravement irradiés en raison d'une installation obsolète et d'une méconnaissance des risques. Suivant leur position et leur temps de présence auprès de la source, les doses corps entier reçues sont évaluées respectivement à 8 Gy, 4 Gy et 3 Gy.

Des vomissements apparaissent moins de deux heures après l'exposition. Se sentant très fatiguées et n'arrêtant pas de vomir, les trois victimes consultent à l'hôpital le plus proche. Ils ne présentent aucun autre signe d'exposition aiguë. Bien qu'ils aient mentionné leur travail dans une installation utilisant des rayonnements ionisants, on avance le diagnostic d'intoxication alimentaire. Le syndrome d'irradiation aiguë n'est reconnu que trois jours plus tard, quand un autre patient se présente avec un érythème, des brûlures cutanées, des nausées et des vomissements et déclare avoir eu un incident technique à l'unité d'irradiation.

Cet exemple montre combien le diagnostic d'irradiation aiguë peut être difficile, surtout lorsque la notion d'accident radiologique n'a pas été clairement établie.

4.2. Exposition externe au contact

Tout dépôt de radionucléides sur la peau ou les phanères, à la suite d'une retombée ou d'un contact direct avec des radionucléides en source non scellée, constitue une contamination externe ou exposition externe cutanée.

L'irradiation consécutive à la contamination perdure tant qu'une décontamination externe n'a pas été réalisée.

Les risques liés à une exposition cutanée externe diffèrent selon le type de rayonnements :

• les radionucléides émetteurs alpha ne présentent a priori aucun risque en contamination externe ;
• les radionucléides émetteurs bêta présentent un risque particulier car ils entraînent une exposition quasiment exclusive de la peau ;
• les radionucléides émetteurs gamma posent les mêmes problèmes en contamination externe qu'en exposition externe ;
• la contamination externe par un radionucléide émetteur de neutrons n'est pas envisagée.

La contamination externe expose à un risque secondaire potentiel de contamination interne par inhalation, ingestion ou effraction cutanée.

Les intervenants lors de l'accident de Tchernobyl

L'accident de Tchernobyl, le 26 avril 1986, au cours duquel un certain nombre de personnes travaillant dans la centrale et d'intervenants immédiats ont été très gravement irradiés et contaminés, fournit un bon exemple de contamination externe. Plus de 200 patients ont été hospitalisés dans les heures qui ont suivi la catastrophe.

Devant cet afflux massif de victimes, la prise en charge initiale s'est limitée à un traitement symptomatique (antiémétique, sédatif et iodure de potassium), un bilan lésionnel complet, un traitement des lésions traumatiques et une décontamination externe très sommaire. Ce dernier point s'est révélé particulièrement dommageable car tous ces patients avaient une contamination externe par des produits de fission, comme le césium 137, le strontium 90, ou l'iode 131, tous émetteurs bêta et, pour certains, gamma. La présence d'émetteurs bêta sur la peau a provoqué des brûlures radiologiques sévères, d'évolution complexe.

On estime que 5 des 28 morts précoces dans les suites de l'accident seraient en partie attribuables aux brûlures radiologiques. Ces 5 morts, et peut-être d'autres, auraient sans doute pu être évitées si une bonne décontamination externe de tous les sujets exposés avait été faite dans les meilleurs délais.

4.3. Contamination interne

Encore appelée exposition interne, c'est la pénétration de radionucléides dans l'organisme. Cette incorporation peut se faire par différentes voies : respiratoire, digestive, transcutanée (iode et tritium essentiellement) ou à la faveur d'une effraction cutanée. L'inhalation et les blessures sont les portes d'entrée les plus fréquentes. Même lorsque le sujet n'est plus exposé à la source de contamination, l'irradiation due à l'incorporation de radionucléides perdure tant que la contamination n'a pas été éliminée. Le traitement d'une contamination interne doit donc être réalisé précocement sur simple suspicion.

En contamination interne, les radionucléides sont au contact des cellules vivantes. Cette situation modifie peu le risque induit par les rayonnements bêta, gamma, ou X. En revanche, le risque lié aux rayonnements alpha, qui était inexistant pour les autres modes d'exposition, est ici majeur. En effet, aucun écran ne sépare ces cellules vivantes de l'émetteur alpha et le dépôt d'énergie des particules alpha, qui se fait sur un parcours très bref, induit des lésions cellulaires très importantes.

A titre d'anecdote, un certain nombre de radionucléides sont présents naturellement dans l'organisme humain. C'est le cas, par exemple, du potassium 40 et du carbone 14 (sans qu'il y ait pour autant un risque sanitaire). Ainsi, un être humain présente naturellement une activité de l'ordre de 8 000 à 10 000 Bq.

4.3.1. Transférabilité des radionucléides

La notion de transférabilité est définie comme la capacité d'un élément ou d'un composé, radioactif ou non, à franchir les membranes biologiques. Etroitement liée à sa solubilité, elle dépend aussi de divers processus métaboliques actifs pouvant aboutir à une distribution ordonnée avec concentration dans certains organes. Ainsi l'iode, radioactif ou non, a un métabolisme propre qui l'amène à se concentrer dans la glande thyroïde par un processus actif.

Les éléments transférables comprennent les isotopes des éléments stables présents dans l'organisme humain (iode, sodium, potassium, soufre) mais aussi des homologues chimiques de ces éléments stables (le césium se comporte comme le potassium, le strontium et le radium comme le calcium, etc.). D'autres éléments, peu transférables, sans homologue chimique dans l'organisme ou ayant une forme chimique particulière, restent localisés aux portes d'entrée de la contamination. Une fraction de ces éléments peut être transférée grâce à des mécanismes complexes comme la migration des macrophages vers les ganglions (figure 9).

4.3.2. Période effective des radionucléides

La période effective (T_eff) d'un radionucléide dans l'organisme est le temps nécessaire pour que la radioactivité présente à un moment donné soit divisée par 2. Elle résulte de la combinaison de la période radioactive (T_R) du radionucléide et de la période biologique de l'élément chimique (figure 10).

La période biologique (T_B) est le temps nécessaire pour que la moitié du stock d'un élément chimique, radioactif ou non, soit éliminée ou renouvelée par les processus biologiques.

T_eff= (T_R.T_B) / (T_R+T_B)

La période radioactive de l'iode 131 est de 8 jours, la période biologique de l'élément chimique iode est d'environ 120 jours. La période effective de l'iode 131 est donc de 7,6 jours. On peut donner une représentation graphique de la période effective qui est toujours inférieure à la plus petite valeur donnée par la période radiologique et biologique.

4.3.3. Dose engagée

Après une contamination interne, les radionucléides séjournent dans l'organisme en fonction de leur métabolisme. Ils induisent à chaque instant un débit de dose qui diminue en fonction de leur période effective. La dose reçue entre l'instant t₀ de la contamination et l'instant t est la dose engagée. Elle est représentée par l'intégrale des débits de dose de chaque instant entre t₀ et l'instant t considéré, ou aire sous la courbe (figure 11). Généralement le temps t qui est utilisé pour le calcul de la dose engagée est égal à 50 ans chez l'adulte, 70 ans chez l'enfant ou 10 périodes si la contamination concerne un radionucléide à période courte.

De la même manière que l'on a défini une dose équivalente et une dose efficace pour l'exposition externe, on peut définir une dose équivalente engagée et une dose efficace engagée pour l'exposition interne. La détermination de ces grandeurs est délicate et reste l'affaire de spécialistes.

Les peintres en cadrans lumineux

Ce triste épisode de l'industrie horlogère illustre bien les conséquences d'une contamination interne. Dans les années 1920 et 1930, le radium 226 et 228 étaient utilisés dans les peintures radio-luminescentes des cadrans de montres. A cette époque, le risque de ces radionucléides émetteurs alpha était quasiment inconnu. Les ouvrières qui peignaient les cadrans lumineux avaient pour habitude d'effiler leur pinceau en le portant aux lèvres, ingérant à chaque fois quelques becquerels de radium. Du fait d'une homologie chimique entre radium et calcium, des cancers osseux rares sont apparus dès la fin des années 20, sous forme de carcinome des sinus de la face.

L'enquête épidémiologique a démontré le lien entre l'exposition au radium et le risque de cancer des os : sur 2403 ouvrières pour lesquelles la quantité de radium ingérée a pu être évaluée, 64 étaient atteintes d'ostéosarcome alors que 2 cancers de ce type étaient statistiquement attendus.

5. Effets biologiques des rayonnements ionisants

Les effets biologiques des rayonnements ionisants résultent des lésions radio-induites de l'ADN et de la qualité de leur réparation. On distingue des effets obligatoires ou déterministes, liés à la mort cellulaire, et des effets aléatoires ou stochastiques, liés à la survie de cellules dont l'ADN reste lésé.

5.1. Les effets obligatoires ou déterministes

Ce sont des effets à seuil de dose, en deçà duquel ils n'apparaissent jamais. Au-delà, ils apparaissent de manière obligatoire, leur gravité étant proportionnelle à la dose. Généralement précoces, ils se manifestent quelques heures à quelques mois après l'irradiation. Ils ont des conséquences fonctionnelles en cas d'irradiation localisée, mais ils mettent en jeu le pronostic vital en cas d'irradiation globale.

5.1.1. Expositions aiguës localisées

Les manifestations pathologiques des expositions aiguës localisées varient suivant la dose, le débit de dose et les territoires ou organes irradiés. Quelles que soient les conditions d'exposition, l'atteinte de la peau et des tissus sous-jacents est quasi constante. Les signes physiques de l'atteinte cutanée sont pour l'essentiel ceux d'une brûlure d'apparition et d'évolution progressive, avec érythème, phlyctènes, oedème, nécrose et sclérose. A très fort débit de dose, l'érythème cutané peut apparaître à partir de 3 Gy, l'épidermite sèche au-delà de 6 Gy, et l'épidermite exsudative avec des phlyctènes au dessus de 15 Gy. Les phénomènes de nécrose sont observés pour des doses supérieures à 25 Gy. Une épilation peut apparaître au bout de quelques jours à partir de 4 Gy. L'apparition d'un érythème précoce et fugace (dans les premières heures) signe une irradiation cutanée d'au moins 5 Gy.

Parmi les autres organes on décrit essentiellement des atteintes du cristallin, des gonades et des parotides. Une cataracte postérieure par atteinte du cristallin peut survenir à partir de 5 Gy en dose unique et brève. Cette valeur de 5 Gy est actuellement discutée en raison notamment des résultats d'une étude récente de cohorte menée chez « les liquidateurs » de Tchernobyl évoquant une dose seuil plus basse, de l'ordre de 0,7 Gy (Kleiman – 2007). L'atteinte des gonades se traduit par une stérilité définitive au dessus de 2,5 à 3,5 Gy en dose unique et brève. Une parotidite aiguë apparaît dans les 12 heures pour une dose locale d'au moins 5 Gy à très fort débit et sa présence constitue un excellent indicateur d'irradiation sévère.

Le tissu embryonnaire, qui présente un taux important de multiplication cellulaire, est particulièrement radiosensible. La période la plus critique se situe entre le 8ème jour et la 8ème semaine de grossesse avec un risque de malformations congénitales. Après la 8ème semaine, la fréquence et la gravité des malformations congénitales diminuent mais le système nerveux central reste radiosensible du fait d'une multiplication intense des neuroblastes, précurseurs des neurones (risques de retards mentaux). En pratique médicale, il est admis que ces risques sont négligeables pour des doses inférieures à 0,1 Gy.

5.1.2. Expositions globales aiguës

Ce sont les expositions à fort débit de dose, théoriquement homogènes pour l'ensemble de l'organisme. En réalité, une exposition accidentelle n'est jamais parfaitement homogène et les tableaux cliniques peuvent être plus ou moins dégradés.

Le syndrome d'irradiation globale aiguë comprend trois phases : une phase initiale, une phase de latence clinique et une phase d'état. Son évolution et sa nature sont liées à la dose absorbée et à la radio-sensibilité des différents tissus, les plus radio-sensibles étant la moëlle osseuse hématopoïétique, puis la muqueuse intestinale (figure 12).

La phase initiale correspond à une réaction générale de type inflammatoire. Elle apparaît sous forme mineure à partir de 0,5 Gy. En fonction de la dose elle conjugue des nausées, des vomissements, puis des diarrhées, des troubles thermiques et neurologiques. Une observation clinique précise permet d'établir une première estimation dosimétrique.

Pendant la phase de latence clinique, le signe biologique le plus sensible et le plus précoce est la déplétion lymphocytaire qui survient en 48 heures et qui est proportionnelle à la dose. La lymphopénie peut être utilisée comme moyen d'évaluation de la dose (dosimétrie biologique précoce).

A la phase d'état, la nature et la chronologie des symptômes dépendent de la dose et de la sensibilité des différents tissus :

• entre 1 et 5 Gy, c'est surtout l'atteinte hématologique qui domine en 2 à 3 semaines, traduisant l'hypoplasie ou l'aplasie médullaire ;
• à partir de 3 Gy, le pronostic vital est engagé : on considère que 4,5 Gy est la dose létale 50 ou DL50 (50% des victimes meurent en 30 jours faute de soins) ;
• entre 5 et 10 Gy, l'atteinte intestinale, due à la perte de la muqueuse de l'intestin grêle, avec ses troubles d'absorption, hémorragiques, infectieux, apparaît en quelques jours. Un syndrome hématologique lui succède chez les survivants (la DL100 se situe au-delà de 8 Gy) ;
• pour des doses supérieures à 5 Gy, on peut assister à une défaillance multiviscérale, touchant successivement les principaux organes au fur et à mesure que la thérapeutique a permis de stabiliser les défaillances précédentes ;
• entre 10 et 15 Gy, l'élément prépondérant est un syndrome de détresse respiratoire aiguë associé à des hémoptysies ;
• au-delà de 15 Gy, un syndrome neurologique central majeur s'installe sans phase de latence, avec l'apparition rapidement progressive d'une obnubilation, d'une somnolence puis d'un coma, rapidement fatal.

5.2. Les effets aléatoires ou stochastiques

Les effets aléatoires ou stochastiques sont considérés comme des effets sans seuil, susceptibles d'apparaître chez tout patient irradié, de manière aléatoire et après un long délai de latence. Leur probabilité d'apparition, qui reste faible, est fonction de la dose. Leur gravité est indépendante de la dose. Du fait du principe de précaution, tout patient irradié est considéré comme potentiellement susceptible de développer ce type d'effet.

Le tableau de la figure 13 présente une comparaison entre les effets déterministes et aléatoires .

5.2.1. Les effets cancérigènes

Ce sont des effets connus quasiment depuis la découverte de la radioactivité, puisque le premier cas de cancer radio-induit a été décrit en 1902. Ces cancers ne présentent aucune spécificité sur le plan anatomo-pathologique, ce qui rend leur lien avec l'exposition particulièrement difficile à établir. Ainsi les bilans épidémiologiques font état de 575 cancers et leucémies en excès pour les 80 000 survivants irradiés d'Hiroshima et de Nagasaki, et d'environ 2 000 cancers de la thyroïde chez les enfants de la région de Tchernobyl. Toutefois, les données actuelles ne permettent pas de confirmer le risque cancérigène en dessous de 0,1 Gy en irradiation aiguë. On considère néanmoins que ce risque existe et que la relation dose/risque reste linéaire pour les doses inférieures à 0,1 Gy. Cette relation est un outil d'évaluation pratique du risque qui ne repose actuellement sur aucune certitude scientifique.

5.2.2. Les effets génétiques

Les effets génétiques pourraient résulter de lésions chromosomiques dans la lignée germinale (ovule et spermatozoïde), susceptibles d'entraîner des anomalies dans la descendance proche ou lointaine de l'individu irradié. L'action mutagène des rayonnements a été démontrée par Muller dès 1927 sur la mouche. Cependant aucune étude n'ayant pu mettre en évidence un quelconque effet génétique chez l'homme et le risque est évalué à partir des données observées chez l'animal.

6. Typologie et classement des événements

Les conditions pouvant conduire à une exposition accidentelle aux rayonnements ionisants sont extrêmement variées. En effet, l'exposition peut être liée au type de source (générateur ou source radioactive, scellée ou non scellée), au type de rayonnement, au volume de population concernée, ou encore à la nature accidentelle ou malveillante de l'événement.

Classement des incidents et accidents nucléaires : l'échelle INES

A l'instar de ce qui existe dans le domaine des phénomènes naturels comme les séismes, le vent ou les avalanches, la France a mis en place, dès 1987, une échelle de gravité des événements nucléaires, dont l'Agence Internationale de l'Energie Atomique (AIEA) s'est largement inspirée pour concevoir l'échelle INES (International Nuclear Event Scale). Cette échelle, utilisée au plan international depuis 1991, s'appuie à la fois sur des critères objectifs et des critères subjectifs. Appliquée par une soixantaine de pays, elle est destinée à faciliter la perception par les médias et le public de l'importance des incidents et des accidents nucléaires. Elle ne constitue pas un outil d'évaluation et ne peut, en aucun cas, servir de base à des comparaisons internationales : en particulier, il n'y a pas de relation univoque entre le nombre d'incidents sans gravité déclarés et la probabilité que survienne un accident grave sur une installation.

L'échelle INES, présentée sur le site www.ASN.fr, s'applique à tout événement se produisant dans les installations nucléaires de base (INB) civiles, y compris celles classées secrètes, et lors du transport des matières nucléaires. Ces événements sont classés par l'ASN selon 8 niveaux, de 0 à 7, suivant leur importance.

6.1. Accidents ou malveillance

Les accidents d'exposition sont peu fréquents mais restent possibles en raison de la banalisation de l'utilisation des rayonnements ionisants. Une caractéristique habituelle est leur méconnaissance initiale en raison d'une ignorance du risque par les victimes, d'une apparition différée des symptômes et d'un diagnostic difficile en l'absence d'orientation.

Un acte de malveillance viserait à obtenir un impact médiatique important, un grand nombre de victimes, la contamination d'un lieu emblématique, ou à utiliser un radionucléide ayant une forte symbolique. Les actes connus de malveillance utilisant des radionucléides sont rarissimes et ont toujours été le fait d'individus isolés. Cependant, depuis les événements de septembre 2001, l'éventualité d'un attentat radiologique est très sérieusement prise en considération.

6.2. Pertes et vols de sources scellées

La perte ou le vol de sources scellées est une cause régulière d'accident d'exposition. En France, les vols de sources n'ont jusqu'à présent jamais été réalisés dans un but malveillant, mais plutôt par méconnaissance de la nature du matériel volé. Ainsi, le 23 mars 1999, un véhicule transportant une source de gammagraphie industrielle était volé sur un parking de l'aéroport Roissy Charles de Gaulle. Malgré des mises en garde répétées par voie médiatique, la source n'a été retrouvée que fortuitement, 3 semaines plus tard, grâce aux portiques de détection d'une société spécialisée dans le retraitement des ferrailles basée en Belgique.

Les exemples de pertes de sources sont nombreux et aboutissent souvent à des accidents sévères en raison d'une méconnaissance totale du risque radiologique par ceux qui les trouvent, comme le montre cette observation chez un ouvrier péruvien (figure 14).

L'accident de Lima

Le 20 février 1999, un soudeur travaillant sur le chantier d'un barrage à 300 km de Lima, découvre un objet métallique brillant près d'une conduite. Il met cet objet dans sa poche et n'y pense plus jusqu'en fin de soirée. Il ressent alors une sensation de brûlure et observe un érythème sur le haut de sa cuisse. Inquiet, il dépose l'objet métallique à l'extérieur de sa maison et va consulter un médecin local qui diagnostique une probable piqûre d'insecte. A une heure du matin, un personnel du barrage en charge du gammagraphe se présente chez le sujet à la recherche de sa source de gammagraphie, qui est un petit objet métallique brillant...

La gravité de l'accident étant reconnue, le patient est hospitalisé en milieu spécialisé à Lima. Malgré une prise en charge très précoce et des soins appropriés, une lésion de plus de 30 cm de diamètre se forme sur la fesse droite. Cette nécrose radio-induite avec surinfection, engageant le pronostic vital, conduit à transférer le patient dans un service de brûlés ayant l'expérience des brûlures radiologiques. Il est admis le 29 mai 1999 au centre de traitement des brûlés de l'hôpital d'instruction des armées Percy à Clamart.

En raison d'une infection locale incontrôlable, les greffes de peau sont rejetées. Le patient doit finalement subir une hémipelvectomie droite avant d'être rapatrié au Pérou en octobre 1999.

Une nouvelle cause d'accident radiologique est constituée par les sources orphelines. Il s'agit de sources abandonnées en l'état, pour lesquelles il n'existe plus aucun suivi. La France, malgré un système de gestion et de suivi des sources, n'est pas totalement épargnée par ce type d'accident. Ainsi, l'ancien organisme de radioprotection, l'OPRI (Office de protection contre les rayonnements ionisants) et l'ANDRA (Agence nationale de gestion des déchets radioactifs) ont organisé le ramassage des aiguilles de radium que les radiologues utilisaient dans les années 1930 pour des radiothérapies locales. Cette campagne a été rendue nécessaire, car les aiguilles obsolètes étaient abandonnées dans des endroits divers et risquaient de provoquer des expositions accidentelles.

6.3. Non-respect des règles d'utilisation des sources de rayonnements ionisants

L'utilisation des sources de rayonnements ionisants obéit à des règles générales de radioprotection et de sécurité, qui concernent l'ensemble des sources, et des règles particulières adaptées à chaque source. Les accidents dus au non-respect des règles particulières sont assez nombreux. Bien que des causes matérielles soient souvent associées, le facteur humain reste le déterminant majeur de ces accidents.

Les deux exemples ci-dessous montrent que des irradiations accidentelles peuvent être très variées et que le non-respect des règles d'utilisation peut intervenir tout au long du processus.

L'accident du Costa Rica

Le 22 août 1996, l'hôpital San Juan de Dios à San José remplace sa source de radiothérapie. Le physicien en charge de l'irradiateur étalonne la machine sur une base de temps erronée, puisqu'il utilise des centièmes de minutes au lieu de secondes. La sous-estimation du débit de dose (d'un facteur 1,66) conduit à délivrer aux patients des doses beaucoup trop importantes. L'erreur n'est découverte qu'un mois plus tard alors que 73 patients ont déjà été traités.

L'enquête menée en juillet 1997 par l'AIEA à la demande du Costa Rica montre que parmi les 70 personnes qui ont pu être examinées, quatre présentaient des effets secondaires très sévères (tétraplégie, démyélinisation, effets digestifs et cutanés graves) et seize des effets secondaires sévères avec risque évolutif. Les experts estiment à plus de dix le nombre de décès imputables à cet accident. De plus, l'AIEA a révélé que le physicien n'avait bénéficié d'aucune formation qualifiante.

L'accident de Tokaï-Mura

Le 30 septembre 1999, trois ouvriers japonais travaillant dans un complexe industriel nucléaire situé dans la ville de Tokaï Mura déclenchent une réaction de criticité (réaction de fission nucléaire) par erreur de manipulation de nitrate d'uranyle. Très gravement irradiés par un flux de rayonnements gamma et de neutrons issus de la fission, deux des trois ouvriers décèdent des suites directes de cette irradiation aiguë.

Parmi les causes de cet accident, il faut retenir une méconnaissance du risque par les ouvriers, l'utilisation de procédures de traitement de l'uranium non validées par l'autorité de sûreté nucléaire nationale, un changement d'enrichissement de l'uranium manipulé (18,8% d'uranium 235 au lieu de 3%) non pris en compte et un détournement des procédures par les opérateurs afin de répondre aux obligations de rendement imposées par la compagnie.

L'accident d'Epinal

A la suite d'une expertise de l'IRSN réalisée en 2006, 24 patients sont identifiés comme ayant été surexposés au cours de séances de radiothérapie conformationnelle. Ces malades sont soignés au centre hospitalier Jean Monnet d'Epinal pour un cancer de la prostate de 2004 à 2005 et le surdosage, estimé à environ 20%, est en relation avec une erreur d'utilisation du logiciel de l'appareil de radiothérapie.

Deux autres expertises médicales, dosimétriques et d'évaluation des risques sont menées en 2007 et mettent en évidence :

- un surdosage systématique d'approximativement 8 % pour environ 400 patients traités entre 2001 et 2006 (non prise en compte de l'imagerie de contrôle au cours du traitement des cancers de prostate) ;

- des surexpositions comprise entre 3 et 7 % pour des patients traités pour divers cancers de 1987 à 2000 (erreur de calcul du temps de traitement).

Cet accident a été très fortement médiatisé et rappelle que les surexpositions, tout comme les sous-expositions, peuvent avoir des conséquences importantes. Pour autant, la radiothérapie est le mode de traitement du cancer le plus largement utilisé. Elle est administrée à deux cancéreux sur trois et un quart environ de ceux-ci doivent leur survie à cinq ans à la seule radiothérapie.

6.4. Dispersion de matière radioactive

La dispersion de matière radioactive génère un risque de contamination des personnes et de l'environnement, associé ou non à un risque d'exposition externe selon la nature de la source et son activité. Un tel événement pose des problèmes spécifiques en termes de gestion du risque : limitation de la dispersion et du transfert des radionucléides, protection des intervenants et des matériels, réhabilitation du site. Les deux exemples ci-dessous montrent que ce type d'accident peut avoir des origines diverses et que la prise en charge dépend du type de radionucléide, mais surtout de l'identification rapide du danger.

Contamination à l'Aéroport Roissy Charles de Gaulle

Le 17 août 2002, cinq gendarmes effectuant une ronde sur la zone avion de l'aéroport, découvrent un colis écrasé sur la chaussée. Ce type d'incident étant assez fréquent, ils s'arrêtent afin de dégager la chaussée. Au moment de ramasser le colis éventré, ils aperçoivent un marquage spécifique (trèfle) signalant la radioactivité du colis, avec une étiquette "iode 131" et appellent les pompiers. Les gendarmes sont contrôlés par des détecteurs qui ne mettent en évidence aucune contamination. Néanmoins, le médecin du SMUR demande un examen complémentaire à l'hôpital d'instruction des armées Percy.

Au centre de traitement des blessés radiocontaminés (CTBRC), ils sont déshabillés, douchés et rhabillés avant de bénéficier d'une mesure fine de la radioactivité par anthroporadiométrie au service de protection radiologique des armées (SPRA). Une très faible contamination interne est mise en évidence chez trois gendarmes, sans conséquence sanitaire. Cette contamination s'explique par la capacité de l'iode (stable ou radioactif) à traverser spontanément la barrière cutanée. Dans un but préventif et par précaution, une prise orale d'iode stable est immédiatement ordonnée.

L'examen des vêtements révèle une contamination par l'iode 131 qui n'avait pas été perçue par les détecteurs portatifs, moins sensibles. La zone contaminée circonscrite, le morceau de macadam concerné est retiré et stocké en attendant que la radioactivité décroisse.

L'accident de Goiânia

En 1985, une clinique de radiothérapie installée à Goiânia au Brésil déménage vers de nouveaux locaux. Sans en référer aux autorités, elle laisse sur place un appareil de radiothérapie chargé avec une source de césium 137. Le 13 septembre 1987, deux individus pénètrent dans la clinique désaffectée et récupèrent le barillet porte source. Une fois chez eux, ils tentent durant deux à trois heures de le démonter, mais doivent abandonner leur tâche car ils sont pris de nausées et de vomissements et, pour l'un des deux, de diarrhées. Ce syndrome dure 4 à 5 jours. Le 15 septembre, l'un des deux hommes consulte pour un œdème de la main, des vertiges et un syndrome digestif. Le médecin attribue les symptômes à une réaction allergique en relation avec une intoxication alimentaire. Le 18 septembre, les deux personnes réessayent de démonter le barillet et, ce faisant, perforent la fenêtre d'un millimètre d'épaisseur de la source. Ils en extraient une poudre. Après avoir réussi à séparer le disque porte source de l'enveloppe de protection, ils décident de vendre les fragments à un ferrailleur qui habite dans le voisinage. Le soir, le ferrailleur constate une lumière bleutée qui s'échappe de l'enveloppe de la source. Il décide alors de ramener l'objet chez lui, considérant qu'il est précieux.

Au cours des trois jours suivants, tout le voisinage vient voir et toucher l'objet "magique". Dans le même temps, une partie de la source, sous forme de particules de la taille de grains de riz qui deviennent pulvérulents quand on les manipule, est distribuée aux proches. Plusieurs amis s'enduisent la peau de cette substance scintillante qui ressemble à celle utilisée lors des carnavals.

Le 21 septembre, la femme du ferrailleur présente un syndrome gastro-intestinal étiqueté "intoxication alimentaire". Sa mère vient la soigner et repart chez elle avec de la poudre. Pendant plusieurs jours, le nombre de personnes exposées et contaminées continue de progresser. Entre temps, l'un des deux sujets qui a démonté la source est hospitalisé dans un service spécialisé en maladies tropicales pour des lésions cutanées sévères. Le 28 septembre, soit quinze jours après le vol de la source, la femme du ferrailleur, convaincue que la poudre brillante est responsable de sa maladie et de celle des ses amis, se rend à la "vigilancia sanitaria" avec les restes de la source. Elle explique à un médecin que sa famille est en train de mourir à cause de ce qui est dans son sac et le lui remet. Elle est hospitalisée dans le service de maladies tropicales où se trouvent déjà un certain nombre de ses proches.

L'expertise des objets fait découvrir une radioactivité très importante : le débit de dose mesuré avec un détecteur monté sur un bras télescopique indique 0,4 Gy/h à 1 mètre. Les calculs réalisés permettent d'évaluer que la quantité de césium encore présente dans la source représente moins de 10% de l'activité initiale, ce qui signifie que quelques 45 TBq (1012 Bq), soit plus de 1 000 curies (une dizaine de grammes de césium), ont contaminé les personnes et l'environnement.

Devant cette véritable catastrophe écologique et sanitaire, les autorités bouclent et évacuent les zones les plus contaminées le 29 septembre en s'appuyant sur l'histoire personnelle des impliqués directs et sur une détection sommaire. Les personnes sont regroupées sous tente au stade olympique voisin afin d'effectuer un triage radiologique et médical et d'éviter une dispersion de la contamination. La presse commence à s'intéresser à l'événement. Le 30 septembre, la population de la ville, inquiète, se regroupe à l'entrée du stade olympique pour être prise en charge. Au total, 112 800 personnes seront contrôlées.

Cet accident, assez peu médiatisé à l'époque, a eu et a toujours des conséquences très importantes : 249 personnes contaminées (120 contaminations uniquement vestimentaires, 129 contaminations externes et internes), 20 personnes hospitalisées en raison de leur état clinique, 4 personnes décédées (dont la femme du ferrailleur), 85 maisons contaminées dont 7 ont dû être rasées, 45 lieux publics (trottoirs, squares, magasins, bars) décontaminés. Un site de stockage temporaire des déchets a dû être mis en place pour entreposer les 3 500 m3 de déchets radioactifs produits lors de la réhabilitation. La gestion de crise n'a pas pu éviter une réaction d'angoisse collective ni une désorganisation importante du tissu économique. Aujourd'hui encore, la région de Goiânia reste suspecte dans l'inconscient collectif brésilien.

6.5. Evénements concernant les réacteurs nucléaires

Il peut s'agir d'un incident individuel d'exposition interne ou externe ou d'une catastrophe majeure. Deux accidents graves ayant eu des conséquences très différentes sont évoqués ci-après.

L'accident de Three Miles Island

La nuit du 28 mars 1979, dans la centrale électronucléaire de Three Miles Island en Pennsylvanie, un incident mineur survient sur le circuit secondaire (non nucléaire) du réacteur n° 2 (réacteur de même type qu'en France). A la suite d'une succession d'erreurs humaines et techniques, il se produit une fonte partielle du combustible nucléaire avec formation d'une bulle d'hydrogène au sommet du réacteur, puis dans le bâtiment réacteur. Cette fonte provoque, en outre, une contamination du circuit primaire (nucléaire) par des produits de fission et des transuraniens. Cet accident conduit au lâcher volontaire dans l'atmosphère (régulation de la pression réacteur) de gaz rares (xénon) et d'iodes radioactifs, dans des quantités minimes, entre le 28 mars et le 1er avril.

Aucune conséquence sanitaire due au rejet de produits radioactifs n'est mise en évidence (une population de 30 000 personnes a été suivie spécifiquement jusqu'en 1997), hormis des réactions de stress durant et après l'accident. En revanche, les conséquences économiques sont très importantes en raison des opérations de démantèlement qui se sont achevées en 1993. De plus, cet accident a eu un impact très négatif sur la perception du nucléaire civil par le grand public.

L'accident de Tchernobyl

Sans entrer dans des considérations techniques concernant les caractéristiques particulières du réacteur et de l'installation, on peut retenir que le 26 avril 1986, un des quatre réacteurs de la centrale de Tchernobyl, près de Kiev en Ukraine, fait une incursion de puissance gravissime (cent fois la puissance nominale) entraînant une fonte du combustible, une explosion vapeur du réacteur et un relâchement massif, durant plusieurs jours à la suite de l'incendie, de produits de fission et de transuraniens. Les conséquences sanitaires sont les suivantes : 237 personnes appartenant à la centrale ou aux services d'urgence ont été hospitalisées dans les premières heures pour suspicion de syndrome d'irradiation aiguë (le diagnostic a été confirmé chez 134 d'entre elles), 28 sont décédées par exposition aiguë (27 présentaient des doses estimées supérieures à 4,5 Gray), environ 2 000 cancers de la thyroïde ont été identifiés chez des enfants de moins de 18 ans, les premiers cas étant apparus 4 ans après l'accident.

Au plan sociologique, 116 000 personnes ont évacué rapidement la région, certaines étant revenues vivre ultérieurement dans la zone d'exclusion (surtout des personnes âgées) et 600 000 «liquidateurs» ont travaillé à la mise en sécurité du site accidenté. Outre le stress induit mis en évidence dans les populations impliquées, l'accident a provoqué des changements à long terme des conditions de vie pour un grand nombre de personnes. L'impact économique est difficile à chiffrer, mais il est majeur pour l'Ukraine et les pays voisins où la contamination par un certain nombre de radionucléides reste détectable.

Photo du premier sarcophage construit autour du réacteur (2009) (figure 15)

6.6. Accidents concernant les armes nucléaires

On peut imaginer trois types d'accidents impliquant des armes nucléaires.

6.6.1. L'accident radiologique

Ce type d'accident correspondrait à la dispersion dans l'environnement de matière fissile ou fusible, sans explosion ni incendie par rupture du confinement. Un des éléments qui présente le plus grand risque sanitaire est le plutonium, en raison de sa très forte radiotoxicité. Aucun cas de ce type n'a été rapporté jusqu'à présent.

6.6.2. L'accident pyro-radiologique

Suivant les circonstances de survenue, ce type d'accident peut s'accompagner d'une explosion ou d'un incendie. Celui de Thulé, qui a eu lieu sur la banquise, est moins riche d'enseignement que celui de Palomarès, en Espagne.

L'accident de Palomarès

Le 17 janvier 1966, à 9 000 m au-dessus de la ville de Palomarès, un B52 porteur de quatre armes thermonucléaires, percute son avion ravitailleur. Les quatre bombes sont larguées. Deux d'entre elles, dont les parachutes se déploient, sont récupérées intactes. Les deux autres, dont les parachutes ne se déploient pas, éclatent à l'impact, sans explosion nucléaire grâce aux systèmes de sécurité qui équipent ces armes. Il s'agit donc d'un accident pyro-radiologique sur une zone habitée d'environ trois km2, avec dispersion de plusieurs kilogrammes de plutonium et d'uranium. Cette dispersion est due au fait que les deux bombes sont tombées à près de deux km l'une de l'autre, que le vent était fort et que l'incendie déclenché par les explosions n'a pas été contrôlé immédiatement. Il y a eu très peu de contaminés parmi les 1 200 personnes habitant la zone, y compris chez ceux qui ont approché au plus près les armes accidentées. Les prélèvements d'aérosols réalisés à 100 mètres des points d'impact sous le vent ont mis en évidence une contamination faible, ne nécessitant pas l'évacuation des habitants.

Les premières mesures sanitaires ont été le bouclage de la zone et l'interdiction de ramassage et de vente des légumes dans l'aire susceptible d'être contaminée. Les doses efficaces engagées les plus élevées chez les habitants de Palomarès étaient de l'ordre de 200 mSv sur toute la vie. Pour de telles doses, on n'attend aucun effet déterministe et si les effets stochastiques ne peuvent théoriquement pas être éliminés, aucun n'a été observé jusqu'à présent. La réhabilitation du site a mobilisé 600 personnes pendant trois mois pour revenir à une utilisation normale des lieux. Les terres et matériels contaminés ont été évacués aux USA pour traitement (1 700 tonnes de déchets). Une surveillance à long terme est toujours en cours. Elle concerne une partie de la population et l'environnement.

6.6.3. L'explosion nucléaire

Une explosion nucléaire ne peut être le résultat du hasard. Techniquement difficile à réaliser, elle procède toujours d'une volonté délibérée. L'imaginaire populaire diabolise l'explosion nucléaire et en majore les effets radiatifs. De fait, l'impact psychologique d'une telle explosion serait immense, tant à l'échelle nationale qu'internationale. Toutefois, les dommages d'une explosion nucléaire résultent essentiellement de ses effets mécaniques et lumino-thermiques, de même nature que ceux d'une explosion classique.

Effets mécaniques

Au plan énergétique, les effets mécaniques des armes nucléaires représentent l'effet prédominant. Ils sont liés à l'onde de choc et aux vents violents qui l'accompagnent. Ils peuvent être directs ou indirects par l'intermédiaire des effets destructeurs sur le matériel et les infrastructures. La portée de l'onde de souffle induisant des lésions par impact après translation chez 50% des sujets est fonction de la puissance (1 km pour 20 kilotonnes ; 4,8 km pour 1 mégatonne). Les effets mécaniques sur les personnes sont habituellement classés en effets primaire, secondaire et tertiaire :

• l'effet primaire, dû à l'onde de pression qui apparaît à la suite de l'explosion, est le blast injury qui se traduit par des lésions des organes creux et des organes pleins ;
• l'effet secondaire résulte de lésions de poly-criblage et de polytraumatisme dues à la projection d'objets, à l'écroulement des immeubles ou aux incendies ;
• l'effet tertiaire est en relation avec la projection des victimes contre un obstacle.

Effets lumino-thermiques

Produits par les rayonnements électromagnétiques émis dans le spectre visible et infra-rouge lors de l'explosion, ils représentent une part importante de l'énergie de l'explosion. Leur rayon d'action est de plusieurs kilomètres. Lors de l'explosion, ces rayonnements induisent une augmentation de température de tout ce qui se trouve dans le champ d'émission direct. Tout ce qui est combustible est alors susceptible de s'enflammer, les incendies étant attisés par l'effet de souffle. Sur les personnes, on distingue des effets directs et indirects :

• les effets directs sont représentés par les brûlures cutanées et oculaires directement consécutives au flash lumino-thermique ;
• les effets indirects sont dus aux incendies et aux émanations de différents gaz de combustion.

Effets radiatifs

Ne représentant que 15% de l'énergie dissipée lors de l'explosion, les effets radiatifs ne sont pas les plus importants, mais ils sont spécifiques des armes nucléaires. Ils comportent :

• le rayonnement nucléaire initial (gamma et neutron) émis dans la première minute (5% de l'énergie) avec une portée initiale de quelques km ;
• le rayonnement résiduel émis par le nuage et les retombées. Selon que l'explosion est plus ou moins proche du sol, le volume et le délai de dépôt des retombées sont variables. Après une explosion au contact du sol, le volume de retombées est maximum et les retombées sont immédiates, induisant une forte contamination de la zone d'explosion.

Les effets radiatifs ne provoquent pas de dégâts directs sur le matériel mais induisent une impulsion électromagnétique suffisamment intense pour détruire les circuits électroniques des véhicules, ordinateurs et moyens de transmission. Sur les personnes, les effets radiatifs sont dus à l'irradiation aiguë, associée ou non à une contamination.

En somme, les effets combinés d'une explosion nucléaire en milieu urbain aboutiraient à la destruction des infrastructures voisines du point zéro, un «ouragan de feu» généré par l'effet mécanique et lumino-thermique, un grand nombre de victimes complexes, la suppression des liaisons de télécommunication, la désorganisation des moyens de secours, un traumatisme psychologique majeur des populations et une déstructuration complète au niveau régional ou national.

Risque nucléaire et radiologique : ce qu'il faut retenir

Ce risque est perçu par l'opinion publique de manière parfois anxieuse et disproportionnée malgré l'existence, souvent méconnue, de la radioactivité naturelle et la banalisation de l'emploi des rayonnements ionisants dans divers domaines de la vie courante. Identifié il y a un siècle avec la découverte des rayons X et de la radioactivité, ce risque est aujourd'hui pris en compte dans l'évaluation de la menace, surtout dans le contexte géopolitique succédant aux événements du 11 septembre 2001. La radioactivité, l'énergie nucléaire, et les générateurs électriques sont à l'origine de différents rayonnements ionisants.

La radioactivité, propriété qu'ont certains atomes instables de se désintégrer, se caractérise par la période radioactive et par l'émission de rayonnements ionisants (alpha, bêta, gamma, X, et neutrons) spécifiques de chaque radionucléide. L'énergie nucléaire fait appel à la fission qui est à l'origine de rayonnements neutroniques et de produits de fission radioactifs. Les générateurs électriques, tubes à rayons X et accélérateurs, se caractérisent par l'absence de source radioactive : ils n'émettent des rayonnements ionisants que lors de leur fonctionnement.

La caractérisation d'une source radioactive s'appuie sur sa période (temps nécessaire pour que l'activité soit divisée par deux, sur le type et l'énergie des rayonnements, et l'activité de la source, exprimée en becquerels (1 Bq = 1 désintégration par seconde). L'effet de l'exposition est mesuré par la dose absorbée, dose physique exprimée en gray (1 Gy = 1 joule par kg) ou la dose équivalente, tenant compte de la toxicité du rayonnement, exprimée en sievert (Sv).

Les modes d'exposition aux rayonnements sont l'exposition externe à distance (irradiation - source à distance du sujet), l'exposition externe au contact (contamination externe - radionucléide déposé sur la peau) et l'exposition interne (contamination interne - radionucléide incorporé dans l'organisme).

Les effets biologiques des rayonnements ionisants comprennent des effets déterministes (obligatoires) et des effets stochastiques (aléatoires).

Les effets déterministes (brûlures radiologiques, syndrome d'irradiation globale aiguë, etc.) apparaissent au-delà d'un certain seuil, pour des doses élevées de rayonnements qu'on ne rencontre qu'en situation accidentelle. Leur diagnostic est difficile en cas d'incident ou d'accident radiologique méconnu et peut être porté avec retard.

Les effets stochastiques, selon le principe de précaution, sont considérés comme pouvant apparaître même pour des doses très modestes. Les cancers radio-induits n'ont aucune spécificité et ne peuvent être mis en évidence que par l'épidémiologie. Aucune étude n'a pu mettre en évidence un quelconque effet génétique chez l'homme.

Le risque radiologique et nucléaire résulte d'activités humaines normales, d'accidents ou d'actes de malveillance. Les accidents, de nature et de gravité très variables, sont peu nombreux. La malveillance radiologique est sans exemple à ce jour mais elle représente une éventualité que l'on ne peut plus écarter.

En cas d'accident, le mode d'exposition, l'importance de la source et les types de rayonnements en cause doivent être déterminés car ce sont les paramètres qui conditionnent le risque, aussi bien pour les victimes que pour les intervenants.