QUE FAIRE DES DÉCHETS RADIOACTIFS ?

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1 QUE FAIRE DES DÉCHETS RADIOACTIFS ?
© Un diaporama en présenté par l’ et

2 QUE FAIRE DES DÉCHETS RADIOACTIFS ?
Discipline :  Physique Objectifs : Comprendre les processus physiques impliqués dans la radioactivité. Analyser l’évolution d’un isotope radioactif dans le temps. Découvrir et comprendre une chaîne de filiation. Comprendre les modes de stockage des déchets radioactifs en fonction des isotopes qu’ils contiennent. Ce module pédagogique a pour but de proposer une approche transversale de différents points des programmes du lycée, en particulier de 1ère S, à travers le phénomène de la radioactivité. L’animation est un point de départ qui vous permettra d’aborder plusieurs notions de physique. Les activités de classe proposées ensuite permettent aux élèves d’approfondir leur compréhension et leurs connaissances. Ces activités demandent aux élèves un travail d’analyse et de réflexion, qui pourra être plus ou moins guidé. Il est nécessaire d’avoir une connexion Internet dans la classe pour pouvoir réaliser les activités.

3 1re mission : gérer un isotope contenu dans les déchets radioactifs : l’Iode-131
Lisez le texte et consultez le site Internet ci-dessous pour vous documenter sur l’iode et ses isotopes, en particulier l’Iode-131. L’iode-131 est un radionucléide artificiel issu de la fission de noyaux lourds (uranium, plutonium…). Il est produit industriellement en réacteur nucléaire. Emetteur bêta et gamma, la durée de sa demi-vie est de vie de 8,02 jours. Il produit 4,6 PétaBq/Kg. (Péta = 1015) Ses applications sont nombreuses, notamment en médecine ou il est administré par voie orale pour le traitement des hyperthyroïdies ou des cancers thyroïdiens. Dans l’industrie, il est utilisé pour tester l’efficacité des pièges à iode. Objectifs de l'activité : Découvrir un élément et ses isotopes stables et instables En fonction de l’intensité, du type et de la durée de sa radioactivité, faire des hypothèses concernant sa dangerosité. Écrire l'équation de désintégration et déterminer le noyau fils et la demi-vie au bout d’un laps de temps donné. Comprendre les décisions prises concernant les modes de stockage des déchets radioactifs en France. Compétences de 1ère S mises en œuvre dans cette activité : Utiliser la représentation symbolique ; définir l’isotopie et reconnaître des isotopes. Recueillir et exploiter des informations sur la découverte de la radioactivité naturelle et de la radioactivité artificielle. Connaître la définition et des ordres de grandeur de l’activité exprimée en becquerel. Utiliser les lois de conservation pour écrire l’équation d’une réaction nucléaire. Le diagramme N-Z interactif peut être consulté individuellement par les élèves s’ils disposent chacun d’un ordinateur, ou projeté au tableau pour un travail collectif. Laissez le temps aux élèves d’en découvrir le fonctionnement et les informations qu’ils peuvent tirer de cet outil. Exercice guidé sur le même thème : Hautement radioactif mais à décroissance très rapide, l’Iode-131 est généralement stocké sur les sites de production (dans les hôpitaux par exemple) le temps que sa radioactivité ait atteint un niveau faible. Toutefois, il est le plus souvent mélangé à de nombreux autres isotopes dans un même déchet radioactif ; si ce déchet a une durée de vie courte, il sera géré par l’Andra et stocké dans un centre de surface. Les élèves peuvent aussi vérifier leurs réponses sur : Présentez vos analyses concernant l’iode-131, ses caractéristiques, sa réaction de désintégration. Si vous étiez en charge de la gestion de déchets radioactifs contenant principalement de l’iode 131 et des isotopes ayant une durée de vie comparable, quelle décision prendriez-vous ?

4 2e mission : découvrir la chaîne de filiation de l’Uranium-238
L’uranium-238 se désintègre par rayonnement alpha. Grâce au document sur le rayonnement alpha et au graphique interactif de la « vallée de stabilité », trouvez quel est son radionucléide « fils ». Ecrivez sa réaction de désintégration. Le rayonnement alpha Le rayonnement alpha est émis par les atomes possédant trop de protons ou de neutrons. Il correspond à l’émission d’un noyau d’atome d’hélium, composé de deux protons et de deux neutrons : la particule alpha. Sa portée dans l’air est de quelques centimètres seulement. Il peut être arrêté par une simple feuille de papier. Exemple : un atome de radium 226 se transforme en un atome de radon 222. Sa désintégration provoque l’émission d’une particule alha. Objectifs de l'activité : Comprendre la désintégration des atomes en fonction du type de rayonnement. Utiliser le graphique de la « vallée de stabilité ». Ecrire une équation de désintégration. Corrigé : 23892 U  →  23490 Th +  42 He Par désintégration, un atome d’uranium-238 se transforme en un atome de thorium-234, en émettant une particule alpha.

5 2e mission : découvrir la chaîne de filiation de l’Uranium-238
Reconstituez maintenant l’ensemble de la chaîne de filiation de l’Uranium-238 en vérifiant pour chaque isotope le type de désintégration. Tracez sur le graphique la chaîne de désintégration complète.

6 2e mission : découvrir la chaîne de filiation de l’Uranium-238
Vérifiez vos réponses à l’aide de ce document, accessible sur ce site :

7 2e mission : découvrir la chaîne de filiation de l’Uranium-238
Grâce à vos recherches sur la chaîne de filiation de l’uranium-238, présentez la problématique de la gestion des déchets radioactifs contenant principalement cet isotope. Corrigé : L’Uranium-238 a une durée de demi-vie très longue. Parmi les atomes produits par sa chaîne de désintégration, certains ont une intensité d’activité extrêmement forte, comme le Bismuth-210 : 4,6 × 1015 Bq/g-1. Les déchets radioactifs contenant donc des atomes d’Uranium-238 et ceux de sa chaîne de filiation seront donc à la fois à vie longue et de haute activité. Ces déchets sont donc destinés au stockage profond. Pour se documenter, les élèves peuvent notamment consulter les « fiches radionucléides » du site de l’IRSN :

8 ANNEXES Ancrage dans les programmes scolaires
Texte de la voix off de l’animation pédagogique

9 1. Ancrages dans les programmes scolaires
Physique – Chimie (Bulletin officiel n° 9 du 30 septembre 2010) Seconde : Même si la thématique de la radioactivité n’est pas citée dans les programmes, elle permet d’aborder des notions fondamentales : Imagerie médicale : utilisation des ondes pour produire des images du corps humain Des atomes aux ions : le modèle de l’atome et l’expérience de Rutherford Transformations chimiques et activité physique : effets thermiques d’une transformation Pression et plongée : relation force pressante/pression 1ère S : Interaction lumière-matière / Modèle corpusculaire de la lumière : le rayonnement gamma Réactions chimiques - Molécules organiques  Cohésion et transformation de la matière : radioactivité naturelle et artificielle, isotopie Réactions nucléaires : Bilan d'énergie – Équivalence masse-énergie Transferts thermiques Convertir l'énergie : Ressources énergétiques renouvelable ou non, Production d'énergie électrique, Puissance Synthétiser des molécules et fabriquer des nouveaux matériaux : Synthèse et propriété des matériaux amorphes, polymères. Terminale S : Détecteurs d'ondes et de particules : Extraire et exploiter des informations sur des sources d'ondes et de particules/dispositifs de détection Transferts d'énergie entre systèmes macroscopiques : Transferts thermiques – bilans énergétiques Enjeux énergétiques Créer et innover : Culture scientifique et technique ; relation science-société. Métiers de l'activité scientifique

10 1. Ancrages dans les programmes scolaires
Sciences (Bulletin officiel n° 9 du 30 septembre 2010) En 1ère ES et L Optimisation de la gestion et de l’utilisation de l’énergie. Transport et stockage de l’énergie. Rechercher et exploiter des informations pour comprendre : la nécessité de stocker et de transporter l’énergie ; l’utilisation de l’électricité comme mode de transfert de l’énergie ; la problématique de la gestion des déchets radioactifs. Analyser une courbe de décroissance radioactive. 

11 2. Texte de la voix off de l’animation pédagogique
Que faire des déchets radioactifs ? Les déchets radioactifs sont gérés selon leur nature. Ceux ayant une très faible activité ou une durée de vie courte sont stockés en surface dans plusieurs épaisseurs de béton. Pour ceux de moyenne activité à vie longue ou de haute activité, un projet de stockage profond est en cours afin de les isoler dans des galeries creusées à 500m sous le sol dans une couche d’argile particulièrement stable et imperméable. Pourquoi y a-t-il des modes de stockage différents ? Pour le comprendre, il faut connaître les deux notions principales de physique qui interviennent dans le choix : l’intensité de la radioactivité et le temps nécessaire à sa décroissance.  La radioactivité, c’est la désintégration spontanée de noyaux d’isotopes instables. Son intensité, c’est-à-dire le nombre de désintégrations par seconde, est mesurée en becquerels pour un poids donné. 1 Bq = 1 désintégration par seconde. On peut donc mesurer l’intensité de la radioactivité de n’importe quel objet, 150 Bq/Kg pour les légumes verts par exemple. Lorsqu’on cherche à se protéger et à confiner la radioactivité, on prend aussi en compte le type de rayonnement (autrement dit, de particules) produit par la désintégration : ,  ou . Le pouvoir de pénétration dans l’air est très faible pour les particules  : une simple feuille de papier suffit à les arrêter. Il faut une feuille d’aluminium pour stopper les particules . Quand aux rayons gamma, de fortes épaisseurs de plomb ou de béton sont nécessaires pour les bloquer.  Prenons l’exemple d’un isotope contenu dans certains déchets radioactifs : le Césium-137. Instable (3,2 TBq/g), il va se désintégrer et donner naissance à un nouvel isotope (le Baryum-137), qui lui-même se désintègrera à son tour, et ainsi de suite jusqu’à devenir un isotope stable. On dit que la désintégration est un phénomène de chaîne, aussi appelé chaîne de filiation. Chaque isotope a un niveau de radioactivité propre, mais un déchet radioactif contient de nombreux isotopes d’intensités d’activité différentes. L’intensité n’est donc pas un critère suffisant pour gérer un déchet radioactif. Il faut aussi prendre en compte le temps nécessaire à la décroissance de sa radioactivité.  Ce temps dépend des isotopes contenus dans le déchet. On connaît en effet le temps au bout duquel un échantillon d’un même isotope a perdu la moitié de sa radioactivité. C’est sa « période radioactive » ou « demi-vie ». Le Césium-137 a par exemple une demi-vie d’environ 30 ans. C’est-à-dire qu’un échantillon de Césium-137 sera deux fois moins radioactif au bout de 30 ans et 1 000 fois moins radioactif au bout de 300 ans. L’iode-129, en revanche, a une demi-vie longue, de 16 millions d’années : il faudra donc plus de cent soixante millions d’années avant que la radioactivité d’un échantillon d’iode 129 ne soit divisée par 1 000. Pour prendre des mesures visant à confiner la radioactivité, on distingue donc les déchets radioactifs qui contiennent principalement des isotopes à vie courte comme le Césium-137 de ceux qui contiennent une majorité d’isotopes à vie longue comme l’iode 129.  Les principes physiques d’intensité radioactive et de demi-vie des isotopes amènent ainsi les scientifiques à analyser les déchets radioactifs en fonction des isotopes qu’ils contiennent. Des solutions de gestion adaptée en découlent. Les déchets à vie courte, qui nécessitent d’être isolés seulement quelques centaines d’années, sont stockés dans des centres en surface. Les déchets à vie longue, au contraire, doivent être isolés et protégés de toute intrusion humaine à long terme. Seul le stockage profond est une solution durable sur une très longue échelle de temps car il assure la gestion passive des déchets, sans intervention humaine nécessaire, pendant plusieurs centaines de milliers d’années.

12 QUE FAIRE DES DÉCHETS RADIOACTIFS ?
Un document en préparé par l’ANDRA et