Tout au long de l'histoire de la vie sur Terre, les organismes ont été constamment exposés aux rayons cosmiques et aux radionucléides qu'ils forment dans l'atmosphère, ainsi qu'aux rayonnements de substances omniprésentes dans la nature. La vie moderne s'est adaptée à toutes les caractéristiques et limites de l'environnement, y compris les sources naturelles de rayons X.
Bien que des niveaux élevés de rayonnement soient certainement nocifs pour les organismes, certains types de rayonnement sont essentiels à la vie. Par exemple, le rayonnement de fond a contribué aux processus fondamentaux de l'évolution chimique et biologique. Il est également évident que la chaleur du noyau terrestre est fournie et maintenue par la chaleur de désintégration des radionucléides primaires naturels.
Rayons cosmiques
Le rayonnement d'origine extraterrestre qui bombarde continuellement la Terre est appeléespace.
Le fait que ce rayonnement pénétrant atteigne notre planète depuis l'espace extra-atmosphérique, et non depuis la Terre, a été découvert lors d'expériences visant à mesurer l'ionisation à différentes altitudes, du niveau de la mer à 9 000 m. Il a été constaté que l'intensité du rayonnement ionisant diminue jusqu'à 700 m d' altitude, puis augmente rapidement avec la montée. La diminution initiale peut s'expliquer par une diminution de l'intensité des rayons gamma terrestres, et une augmentation par l'action des rayons cosmiques.
Les sources de rayons X dans l'espace sont les suivantes:
- groupes de galaxies;
- Galaxies de Seyfert;
- Dim;
- étoiles;
- quasars;
- trous noirs;
- restes de supernova;
- naines blanches;
- étoiles noires, etc.
La preuve d'un tel rayonnement, par exemple, est une augmentation de l'intensité des rayons cosmiques observés sur Terre après les éruptions solaires. Mais notre étoile n'apporte pas la principale contribution au flux total, car ses variations quotidiennes sont très faibles.
Deux types de rayons
Les rayons cosmiques sont divisés en primaires et secondaires. Le rayonnement qui n'interagit pas avec la matière dans l'atmosphère, la lithosphère ou l'hydrosphère de la Terre est appelé primaire. Il est constitué de protons (≈ 85%) et de particules alpha (≈ 14%), avec des flux beaucoup plus faibles (< 1%) de noyaux plus lourds. Les rayons X cosmiques secondaires, dont les sources de rayonnement sont le rayonnement primaire et l'atmosphère, sont composés de particules subatomiques telles que les pions, les muons etélectrons. Au niveau de la mer, presque tout le rayonnement observé est constitué de rayons cosmiques secondaires, dont 68 % sont des muons et 30 % sont des électrons. Moins de 1 % du flux au niveau de la mer est constitué de protons.
Les rayons cosmiques primaires, en règle générale, ont une énorme énergie cinétique. Ils sont chargés positivement et gagnent de l'énergie en accélérant dans les champs magnétiques. Dans le vide de l'espace extra-atmosphérique, les particules chargées peuvent exister pendant longtemps et parcourir des millions d'années-lumière. Au cours de ce vol, ils acquièrent une énergie cinétique élevée, de l'ordre de 2 à 30 GeV (1 GeV=109 eV). Les particules individuelles ont des énergies allant jusqu'à 1010 GeV.
Les hautes énergies des rayons cosmiques primaires leur permettent de diviser littéralement les atomes de l'atmosphère terrestre lorsqu'ils entrent en collision. En plus des neutrons, des protons et des particules subatomiques, des éléments légers tels que l'hydrogène, l'hélium et le béryllium peuvent se former. Les muons sont toujours chargés et se désintègrent également rapidement en électrons ou en positrons.
Bouclier magnétique
L'intensité des rayons cosmiques augmente fortement avec l'ascension jusqu'à atteindre un maximum à une altitude d'environ 20 km. De 20 km à la limite de l'atmosphère (jusqu'à 50 km), l'intensité diminue.
Cette tendance s'explique par une augmentation de la production de rayonnement secondaire résultant d'une augmentation de la densité de l'air. A 20 km d' altitude, la majeure partie du rayonnement primaire est déjà entrée en interaction, et la diminution d'intensité à partir de 20 km jusqu'au niveau de la mer reflète l'absorption des rayonnements secondaires.atmosphère, équivalent à environ 10 mètres d'eau.
L'intensité du rayonnement est également liée à la latitude. A la même altitude, le flux cosmique augmente depuis l'équateur jusqu'à une latitude de 50 à 60° et reste constant jusqu'aux pôles. Cela s'explique par la forme du champ magnétique terrestre et la répartition de l'énergie du rayonnement primaire. Les lignes de champ magnétique qui s'étendent au-delà de l'atmosphère sont généralement parallèles à la surface de la Terre à l'équateur et perpendiculaires aux pôles. Les particules chargées se déplacent facilement le long des lignes du champ magnétique, mais le surmontent à peine dans le sens transversal. Des pôles à 60°, pratiquement tout le rayonnement primaire atteint l'atmosphère terrestre et, à l'équateur, seules les particules d'énergie supérieure à 15 GeV peuvent pénétrer le bouclier magnétique.
Sources de rayons X secondaires
L'interaction des rayons cosmiques avec la matière produit en continu une quantité importante de radionucléides. La plupart d'entre eux sont des fragments, mais certains d'entre eux sont formés par l'activation d'atomes stables par des neutrons ou des muons. La production naturelle de radionucléides dans l'atmosphère correspond à l'intensité du rayonnement cosmique en hauteur et en latitude. Environ 70 % d'entre eux proviennent de la stratosphère et 30 % de la troposphère.
À l'exception du H-3 et du C-14, les radionucléides sont généralement présents à de très faibles concentrations. Le tritium est dilué et mélangé avec de l'eau et du H-2, et le C-14 se combine avec l'oxygène pour former du CO2, qui se mélange au dioxyde de carbone atmosphérique. Le carbone 14 pénètre dans les plantes par photosynthèse.
Radiation terrestre
Parmi les nombreux radionucléides qui se sont formés avec la Terre, seuls quelques-uns ont des demi-vies suffisamment longues pour expliquer leur existence actuelle. Si notre planète s'est formée il y a environ 6 milliards d'années, elles auraient besoin d'une demi-vie d'au moins 100 millions d'années pour rester en quantités mesurables. Parmi les principaux radionucléides découverts jusqu'à présent, trois sont de la plus haute importance. La source de rayons X est K-40, U-238 et Th-232. L'uranium et le thorium forment chacun une chaîne de produits de désintégration qui sont presque toujours en présence de l'isotope d'origine. Bien que de nombreux radionucléides fils aient une courte durée de vie, ils sont courants dans l'environnement car ils sont constamment formés à partir de matériaux parents à longue durée de vie.
D'autres sources primordiales de rayons X à longue durée de vie, en bref, sont à des concentrations très faibles. Ce sont Rb-87, La-138, Ce-142, Sm-147, Lu-176, etc. Les neutrons naturels forment de nombreux autres radionucléides, mais leur concentration est généralement très faible. La carrière d'Oklo au Gabon, en Afrique, contient des preuves d'un "réacteur naturel" dans lequel des réactions nucléaires ont eu lieu. L'épuisement de l'U-235 et la présence de produits de fission dans un gisement riche en uranium indiquent qu'une réaction en chaîne induite spontanément a eu lieu ici il y a environ 2 milliards d'années.
Bien que les radionucléides primordiaux soient omniprésents, leur concentration varie selon le lieu. PrincipaleLe réservoir de radioactivité naturelle est la lithosphère. De plus, il change considérablement au sein de la lithosphère. Parfois, il est associé à certains types de composés et de minéraux, parfois il est purement régional, avec peu de corrélation avec les types de roches et de minéraux.
La distribution des radionucléides primaires et de leurs descendants dans les écosystèmes naturels dépend de nombreux facteurs, notamment les propriétés chimiques des nucléides, les facteurs physiques de l'écosystème et les attributs physiologiques et écologiques de la flore et de la faune. L' altération des roches, leur principal réservoir, fournit au sol U, Th et K. Les produits de désintégration de Th et U participent également à ce transfert. Du sol, K, Ra, un peu de U et très peu de Th sont absorbés par les plantes. Ils utilisent le potassium-40 de la même manière que le K stable. Le radium, un produit de désintégration de l'U-238, est utilisé par la plante, non pas parce qu'il s'agit d'un isotope, mais parce qu'il est chimiquement proche du calcium. L'absorption d'uranium et de thorium par les plantes est généralement négligeable car ces radionucléides sont généralement insolubles.
Radon
La plus importante de toutes les sources de rayonnement naturel est l'élément insipide et inodore, un gaz invisible qui est 8 fois plus lourd que l'air, le radon. Il se compose de deux isotopes principaux - le radon-222, l'un des produits de désintégration de l'U-238, et le radon-220, formé lors de la désintégration du Th-232.
Les roches, le sol, les plantes, les animaux émettent du radon dans l'atmosphère. Le gaz est un produit de désintégration du radium et est produit dans n'importe quel matériauqui le contient. Comme le radon est un gaz inerte, il peut être libéré des surfaces qui entrent en contact avec l'atmosphère. La quantité de radon qui sort d'une masse de roche donnée dépend de la quantité de radium et de la surface. Plus la roche est petite, plus elle peut libérer de radon. La concentration de Rn dans l'air à côté des matériaux contenant du radium dépend également de la vitesse de l'air. Dans les sous-sols, les grottes et les mines qui ont une mauvaise circulation d'air, les concentrations de radon peuvent atteindre des niveaux importants.
Rn se désintègre assez rapidement et forme un certain nombre de radionucléides descendants. Une fois formés dans l'atmosphère, les produits de désintégration du radon se combinent avec de fines particules de poussière qui se déposent sur le sol et les plantes, et sont également inhalés par les animaux. Les précipitations sont particulièrement efficaces pour éliminer les éléments radioactifs de l'air, mais l'impact et la sédimentation des particules d'aérosol contribuent également à leur dépôt.
Dans les climats tempérés, les concentrations de radon à l'intérieur sont en moyenne environ 5 à 10 fois plus élevées qu'à l'extérieur.
Au cours des dernières décennies, l'homme a produit "artificiellement" plusieurs centaines de radionucléides, des rayons X associés, des sources, des propriétés qui ont des applications dans la médecine, l'armée, la production d'énergie, l'instrumentation et l'exploration minière.
Les effets individuels des sources artificielles de rayonnement varient considérablement. La plupart des gens reçoivent une dose relativement faible de rayonnement artificiel, mais certains reçoivent plusieurs milliers de fois le rayonnement provenant de sources naturelles. Les sources artificielles sont meilleurescontrôlé que naturel.
Les sources de rayons X en médecine
Dans l'industrie et la médecine, en règle générale, seuls des radionucléides purs sont utilisés, ce qui simplifie l'identification des voies de fuite depuis les sites de stockage et le processus d'élimination.
L'utilisation des rayonnements en médecine est très répandue et peut avoir un impact significatif. Il comprend les sources de rayons X utilisées en médecine pour:
- diagnostics;
- thérapie;
- procédures analytiques;
- rythme.
Pour les diagnostics, on utilise à la fois des sources scellées et une grande variété de traceurs radioactifs. Les établissements médicaux distinguent généralement ces applications comme la radiologie et la médecine nucléaire.
Un tube à rayons X est-il une source de rayonnement ionisant ? La tomodensitométrie et la fluorographie sont des procédures de diagnostic bien connues qui sont réalisées avec son aide. De plus, il existe de nombreuses applications des sources d'isotopes en radiographie médicale, y compris les sources gamma et bêta et les sources de neutrons expérimentales pour les cas où les appareils à rayons X sont peu pratiques, inappropriés ou peuvent être dangereux. D'un point de vue environnemental, le rayonnement radiographique ne présente pas de risque tant que ses sources restent responsables et correctement éliminées. À cet égard, l'histoire des éléments de radium, des aiguilles de radon et des composés luminescents contenant du radium n'est pas encourageante.
Sources de rayons X couramment utilisées basées sur 90Srou 147 Pm. L'avènement du 252Cf en tant que générateur de neutrons portable a rendu la radiographie neutronique largement disponible, bien qu'en général la technique dépende encore fortement de la disponibilité des réacteurs nucléaires.
Médecine nucléaire
Les principaux risques environnementaux sont les étiquettes de radio-isotopes en médecine nucléaire et les sources de rayons X. Voici des exemples d'influences indésirables:
- irradiation du patient;
- irradiation du personnel hospitalier;
- exposition pendant le transport de produits pharmaceutiques radioactifs;
- impact pendant la production;
- exposition aux déchets radioactifs.
Ces dernières années, il y a eu une tendance à réduire l'exposition des patients grâce à l'introduction d'isotopes à durée de vie plus courte avec un effet plus étroit et à l'utilisation de médicaments plus hautement localisés.
Une demi-vie plus courte réduit l'impact des déchets radioactifs, car la plupart des éléments à longue durée de vie sont excrétés par les reins.
L'impact environnemental des égouts ne semble pas dépendre du fait que le patient soit hospitalisé ou ambulatoire. Alors que la plupart des éléments radioactifs libérés sont susceptibles d'être de courte durée, l'effet cumulé dépasse de loin les niveaux de pollution de toutes les centrales nucléaires combinées.
Les radionucléides les plus couramment utilisés en médecine sont les sources de rayons X:
- 99mTc – scintigraphie crânienne et cérébrale, scintigraphie cérébrale, cœur, foie, poumon, scintigraphie thyroïdienne, localisation placentaire;
- 131I - sang, scintigraphie hépatique, localisation placentaire, scintigraphie thyroïdienne et traitement;
- 51Cr - détermination de la durée d'existence des globules rouges ou séquestration, volume sanguin;
- 57Co - Test de Schilling;
- 32P – métastases osseuses.
L'utilisation généralisée des procédures de dosage radio-immunologique, de l'analyse d'urine et d'autres méthodes de recherche utilisant des composés organiques marqués a considérablement augmenté l'utilisation de préparations de scintillation liquide. Les solutions de phosphore organique, généralement à base de toluène ou de xylène, constituent un volume assez important de déchets organiques liquides à éliminer. Le traitement sous forme liquide est potentiellement dangereux et inacceptable pour l'environnement. Pour cette raison, l'incinération des déchets est privilégiée.
Étant donné que les 3H ou 14C à longue durée de vie se dissolvent facilement dans l'environnement, leur exposition se situe dans la plage normale. Mais l'effet cumulatif peut être important.
Une autre utilisation médicale des radionucléides est l'utilisation de batteries au plutonium pour alimenter les stimulateurs cardiaques. Des milliers de personnes sont en vie aujourd'hui parce que ces appareils aident leur cœur à fonctionner. Des sources scellées de 238Pu (150 GBq) sont implantées chirurgicalement chez les patients.
Rayons X industriels: sources, propriétés, applications
La médecine n'est pas le seul domaine dans lequel cette partie du spectre électromagnétique a trouvé une application. Les radio-isotopes et les sources de rayons X utilisés dans l'industrie constituent une part importante de la situation des rayonnements technogéniques. Exemples d'application:
- radiographie industrielle;
- mesure du rayonnement;
- détecteurs de fumée;
- matériaux auto-lumineux;
- cristallographie aux rayons X;
- scanners pour le contrôle des bagages et des bagages à main;
- lasers à rayons X;
- synchrotrons;
- cyclotrons.
Étant donné que la plupart de ces applications impliquent l'utilisation d'isotopes encapsulés, l'exposition aux rayonnements se produit pendant le transport, le transfert, la maintenance et l'élimination.
Un tube à rayons X est-il une source de rayonnements ionisants dans l'industrie ? Oui, il est utilisé dans les systèmes de contrôle non destructif des aéroports, dans l'étude des cristaux, des matériaux et des structures, et dans le contrôle industriel. Au cours des dernières décennies, les doses d'exposition aux rayonnements dans les sciences et l'industrie ont atteint la moitié de la valeur de cet indicateur en médecine; par conséquent, la contribution est significative.
Les sources de rayons X encapsulées en elles-mêmes ont peu d'effet. Mais leur transport et leur élimination sont inquiétants lorsqu'ils sont perdus ou jetés par erreur dans une décharge. De telles sourcesLes rayons X sont généralement fournis et installés sous forme de disques ou de cylindres à double étanchéité. Les capsules sont en acier inoxydable et nécessitent un contrôle périodique des fuites. Leur élimination peut être un problème. Les sources à courte durée de vie peuvent être stockées et dégradées, mais même dans ce cas, elles doivent être correctement comptabilisées et les matières actives résiduelles doivent être éliminées dans une installation agréée. Sinon, les capsules doivent être envoyées à des institutions spécialisées. Leur puissance détermine le matériau et la taille de la partie active de la source de rayons X.
Emplacements de stockage des sources de rayons X
Un problème croissant est le déclassement et la décontamination en toute sécurité des sites industriels où des matières radioactives ont été stockées dans le passé. Il s'agit pour la plupart d'installations de retraitement nucléaire plus anciennes, mais d'autres industries doivent être impliquées, comme les usines de production de panneaux tritium autolumineux.
Les sources de faible niveau à longue durée de vie, qui sont très répandues, posent un problème particulier. Par exemple, 241Am est utilisé dans les détecteurs de fumée. Outre le radon, ce sont les principales sources de rayonnement X dans la vie quotidienne. Individuellement, ils ne présentent aucun danger, mais un nombre important d'entre eux peuvent présenter un problème à l'avenir.
Explosions nucléaires
Au cours des 50 dernières années, tout le monde a été exposé aux radiations des retombées causées par les essais d'armes nucléaires. Leur apogée était à1954-1958 et 1961-1962.
En 1963, trois pays (URSS, États-Unis et Grande-Bretagne) ont signé un accord sur une interdiction partielle des essais nucléaires dans l'atmosphère, les océans et l'espace extra-atmosphérique. Au cours des deux décennies suivantes, la France et la Chine ont mené une série de tests beaucoup plus petits, qui ont cessé en 1980. Des tests souterrains sont toujours en cours, mais ils ne produisent généralement pas de précipitations.
Une contamination radioactive provenant d'essais atmosphériques tombe près du site de l'explosion. Certains d'entre eux restent dans la troposphère et sont emportés par le vent autour du monde à la même latitude. En se déplaçant, ils tombent au sol, restant environ un mois dans les airs. Mais la plupart sont poussés dans la stratosphère, où la pollution reste pendant de nombreux mois, et coule lentement à travers la planète.
Les retombées radioactives comprennent plusieurs centaines de radionucléides différents, mais seuls quelques-uns d'entre eux sont capables d'affecter le corps humain. Leur taille est donc très petite et leur désintégration est rapide. Les plus significatifs sont C-14, Cs-137, Zr-95 et Sr-90.
Zr-95 a une demi-vie de 64 jours, tandis que Cs-137 et Sr-90 ont environ 30 ans. Seul le carbone 14, avec une demi-vie de 5730, restera actif longtemps dans le futur.
Énergie nucléaire
L'énergie nucléaire est la source de rayonnement anthropique la plus controversée, mais elle contribue très peu aux effets sur la santé humaine. En fonctionnement normal, les installations nucléaires libèrent des quantités négligeables de rayonnement dans l'environnement. Février 2016Il y avait 442 réacteurs nucléaires civils en exploitation dans 31 pays et 66 autres étaient en construction. Ce n'est qu'une partie du cycle de production du combustible nucléaire. Elle commence par l'extraction et le broyage du minerai d'uranium et se poursuit par la fabrication du combustible nucléaire. Après avoir été utilisées dans les centrales électriques, les piles à combustible sont parfois retraitées pour récupérer de l'uranium et du plutonium. En fin de compte, le cycle se termine avec l'élimination des déchets nucléaires. À chaque étape de ce cycle, des matières radioactives peuvent être libérées.
Environ la moitié de la production mondiale de minerai d'uranium provient de mines à ciel ouvert, l'autre moitié de mines. Il est ensuite broyé dans des concasseurs à proximité, qui produisent une grande quantité de déchets - des centaines de millions de tonnes. Ces déchets restent radioactifs pendant des millions d'années après l'arrêt de l'usine, bien que le rayonnement ne représente qu'une très petite fraction du bruit de fond naturel.
Après cela, l'uranium est transformé en combustible par un traitement et une purification supplémentaires dans des usines d'enrichissement. Ces processus entraînent une pollution de l'air et de l'eau, mais ils sont bien moindres qu'aux autres étapes du cycle du combustible.
