Les risques de l’exposition aux rayonnements ionisants

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1 Les risques de l’exposition aux rayonnements ionisants
Cette présentation essaie de traiter en termes simples le sujet difficile des effets des rayonnements ionisants sur l’homme, sujet difficile car mettant en jeu des échelles de perception très variables et qu’il existe une tentation forte de simplifier les données, ou de croire que tout est définitif. Que les nombreux auteurs qui ont volontairement ou non contribué à la rédaction de cette présentation soient remerciés. Ils ne manqueront de se faire reconnaître s’ils souhaitent enrichir l’actuelle présentation. Les commentaires font fonction de voix « off ». Le caractère • indique une animation, faire « retour chariot ». Pr Xavier Marchandise Laboratoire de Biophysique Faculté de Médecine de Lille 2

2 ET D’ABORD, D’OU VIENT LE RISQUE ?
Les sources de rayonnements ionisants

3 SOURCES DE R. IONISANTS Sources de rayons X Sources nucléaires Fission
brutale • contrôlée R.activité artificielle sources scellées sources non scellées Sources de rayons X Fluorescence écran TV Sources nucléaires R.activité naturelle big-bang réactivation cosmique freinage Radiodiagnostic Radiothérapie Fusion brutale • contrôlée ? Il existe deux formes de production des rayons X : la fluorescence et le freinage. Une source bien innocente de rayons X est le tube d’un écran de télé ; l’énergie des rayons de fluorescence ainsi émis est très faible et ils ne représentent pas le principal facteur délétère de la TV. Les rayons X les plus « exposants » sont ceux émis lors du freinage dans des cibles denses d’électrons accélérés, rayons X de radiodiagnostic et plus encore de radiothérapie Les sources nucléaires de rayonnements ionisants sont constitués des noyaux d’atomes évoluant vers plus de stabilité. La radioactivité naturelle. Une partie a été créée dans les premiers instants de l’univers et poursuit encore maintenant sa décroissance en ayant formé des familles de descendants, comme celle de l’uranium 238 par exemple. Une autre partie de la radioactivité naturelle correspond à la fabrication de corps radio-actifs sous l’effet des rayonnements cosmiques, qui ont eux-mêmes leur origine dans les réactions nucléaires des étoiles : c’est ainsi que le carbone 14 est renouvelé en permanence (et qu’il s’échange avec le carbone normal d’un organisme vivant; c’est parce que le carbone 14 radioactif disparait de l’organisme mort progressivement avec une période de 5620 ans que sa mesure permet de chiffrer la date de sa mort). La radioactivité artificielle est créée en bombardant une cible, non par des rayons cosmiques, mais par un flux de particules sortant d’un accélérateur. Ces sources radio-actives peuvent être enfermées dans un conteneur scellé pour éviter leur dispersion accidentelle ; de telles sources sont très actives, utilisées en particulier en radiothérapie (« bombe » au cobalt etc...) ou en gamma-graphie industrielle ( « radiographie » de structures métalliques) ; il est toujours possible de les défoncer volontairement (accident de Goîania). Les sources non scellées sont au contraire destinées à être fractionnées, elles sont utilisées en médecine nucléaire, la possibilité de dispersion est évidente mais l’activité est bien moindre que celle de sources scellées. Une réaction de fission fait apparaître la radio-activité artificielle en faisant « exploser » un noyau en 2 noyaux plus légers : une très faible partie de la masse totale a disparu et la conversion de ce défaut de masse en énergie est le but d’une bombe atomique si la réaction est brutale, d’une centrale nucléaire si la réaction est contrôlée. Lorsque deux noyaux légers (exemple : hydrogène) fusionnent pour donner un seul noyau plus lourd, il est là aussi possible qu’une très faible partie de la masse initiale ait disparu et la conversion de ce défaut de masse en énergie dans une réaction brutale est le fait d’une bombe à hydrogène ; ce sont des réactions de ce genre qui se produisent dans les étoiles ; les recherches pour contrôler une telle réaction de fusion sont ardentes. Dans l’exposition aux rayonnements ionisants, on mêle donc des expositions naturelles (par exemple aux rayonnements cosmiques ou dans les mines d’uranium), des expositions médicales plus ou moins volontaires, des expositions accidentelles industrielles, militaires, ou terroristes ; il peut s’agir d’accidents aigus ou d’expositions chroniques ; il peut s’agir d’expositions localisées ou généralisées ; elle peut concerner un individu ou une population.

4 Les centrales nucléaires et leur environnement
fonctionnement normal rejets (non scellés) déchets (scellés) éventualité d’un accident Si l’on considère les risques d’exposition aux rayonnements ionisants, les premiers qui viennent à l’esprit sont ceux liés aux centrales nucléaires, d ’autant plus qu’ils paraissent nous échapper. Dans le fonctionnement normal d’une centrale nucléaire, les expositions possibles sont de deux ordres : - dues aux rejets de substance radioactive (sources de radioactivité artificielle non scellées) ; ces rejets sont extrêmement contrôlés et dans le fonctionnement normal de la centrale ils ne sont guère significatifs, - dues aux déchets radioactifs, parfois de très longue période ; ces déchets sont habituellement destinés à être confinés par vitrification, constituant une source scellée ; dans l ’immédiat le stockage de ces déchets radioactifs n’est pas une difficulté mais leur gestion à terme pose un problème non résolu. Mais il faut aussi envisager l’hypothèse d’un accident, volontaire, ou non  cette dernière éventualité s’est concrétisée par exemple à Tchernobyl.

5 Il faut reconnaître le caractère profondément humain du fonctionnement d’une centrale nucléaire.

6 Le schéma ci-dessus (EDF) illustre le principe de fonctionnement d’une centrale nucléaire de type européen. Fondamentalement, l’uranium est le combustible avec lequel elle fonctionne, il est au cœur du réacteur ; sa désintégration fait apparaître des quantités d’énergie très importantes sous forme de chaleur, cette chaleur est transférée au circuit primaire d’eau sous pression, cocotte minute fortement contaminée d’éléments radioactifs. Cette eau échange sa chaleur avec l’eau d’un circuit secondaire, dans une opération parfaitement étanche ; la vapeur de ce circuit secondaire fait tourner un alternateur qui engendre un courant. Après avoir évacué une grande partie de son énergie, le circuit secondaire est lui-même refroidi par un courant tertiaire habituellement alimenté par l’eau courante d’un fleuve (Rhône, Gironde, Loire) ou de la mer (Gravelines). Dans le fonctionnement normal il n’existe donc aucune contamination de ce milieu réfrigérant ; en revanche, ces eaux s’en trouvent réchauffées (cf. ferme des crocodiles dans le Vaucluse). A la différence de Tchernobyl, il existe dans la conception de ces centrales une enceinte de confinement qui, en cas d’accident, doit permettre de retarder et de limiter la diffusion des produits radioactifs contenus dans le cœur du réacteur.

7 Energie par nucléon 1H Fusion Fission 235U 4He 93Sr 133Xe 4 12 24 30
Dans le cœur de tels réacteurs, des noyaux d’uranium 235 (en plus grande proportion dans l ’uranium enrichi que dans l’uranium naturel) sont bombardés par des neutrons ; l’absorption d’un neutron incident par le noyau de l’uranium 235 le transforme en uranium 236 instable ; ce dernier se fractionne presque aussitôt en 2 éléments instables radioactifs, par exemple strontium 93 et xénon 133 (mais il existe d’autres possibilités, l’iode 131 en particulier). Dans cette fission, le diagramme représentant, en fonction du nombre de nucléons composant les noyaux l’énergie attribuable à chacun, indique que la somme des masses des noyaux résultants est inférieure à ce qu’elle était au départ et c’est ce défaut de masse qui, selon l’intéressante spéculation d’Einstein, fait apparaître de l’énergie sous forme de chaleur, reprise par le circuit primaire. Sur ce même diagramme, on constate à l’extrême gauche que l’énergie libérée dans une opération de fusion a un rendement très supérieur à celui de la fission = supériorité de la bombe à hydrogène sur la bombe atomique. 4 12 24 30 90 150 210 Nombre de nucléons ou 131I … W+ (U enrichi) et 102Y …

8 Pour en revenir à la centrale à uranium, on observe que la fission de l’uranium 236 produit également un certain nombre de neutrons expulsés des noyaux, ces neutrons une fois ralentis pourront à leur tour altérer d’autres cibles d’uranium 235 et créer ainsi une progression géométrique de fissions (divergence). Pour contrôler ces fissions, on neutralise les neutrons produits en interposant des barres de graphite, c’est-à-dire de carbone, élément léger apte à stopper les neutrons. Ceci représente un des principaux moyens de contrôle de la centrale. En fait, l’ensemble des opérations est contrôlé et sur-contrôlé par différents processus. Mais on devine également que si ceux-ci sont défaillants, en particulier en raison d’erreurs humaines, les réactions de fission peuvent diverger, l’élévation de température faire fondre l’ensemble du cœur (syndrome chinois) et libérer les éléments radioactifs engendrés par les réactions de fission. Dans la bombe d’Hiroshima, la même opération s’est déclenchée sans contrôle dès qu’une quantité suffisante (dite critique) d’uranium a permis la divergence des fissions. A Nagasaki la bombe était différente, le matériau fissile était du plutonium : il s’agissait manifestement d’une étude prospective comparative. + W

9 Les effets de l’accident
On ne s’irradie pas plus en soignant un irradié qu’on ne se brûle en soignant un brûlé Effets mécaniques : traumatisme … Effets thermiques : brûlure ... Effets de l’irradiation : symptômes ... Que ce soit dans un accident de centrale, à la suite de l’explosion d’une bombe atomique comme à Hiroshima ou Nagasaki ou d’une bombe thermo-nucléaire ou à hydrogène mettant en jeu des opérations de fusion, les effets d’un accident seront d’abord et essentiellement ceux de l’explosion, c’est à dire des effets mécaniques conduisant à des traumatismes plus ou moins mortels, et des effets thermiques conduisant à des brûlures plus ou moins intenses ; dans les deux cas, la sévérité des atteintes est directement liée à la proximité de l’explosion et elles n’ont aucun caractère spécifique par rapport à une bombe classique, à Hiroshima et Nagasaki sujets ont succombé à ce type de blessures. Les symptômes liés à l’irradiation vont apparaître dans un second temps. Lorsque survient l’accident, le blessé est généralement poly-traumatisé, parfois brûlé, éventuellement irradié mais qu’il soit irradié ne le rend en rien dangereux pour son environnement. L’idée qu’un tel patient soit contagieux est quasiment un réflexe dont il faut se débarrasser.

10 Les effets de l’accident
Effets mécaniques : traumatisme … Effets thermiques : brûlure ... Effets de l’irradiation : symptômes ... On ne s’irradie pas plus en soignant un irradié qu’on ne se brûle en soignant un brûlé Contamination externe  dissémination, confiner  auto-irradiation, laver ... Contamination interne  auto-irradiation, éliminer ? En réalité d ’ailleurs, on ne peut exclure que le blessé lors de l’accident n’ait une contamination externe c’est à dire le dépôt d’une certaine quantité de radioactivité non scellée sur la surface cutanée, mes cheveux ou les vêtements assez facile à détecter avec les équipements classiques. Dans le contexte de l’accident, la dangerosité de cette contamination externe est tout à fait secondaire. Mais elle se traduira par la possibilité d’une dissémination de cette radioactivité superficielle et on préviendra cette dissémination en enfermant dans des sacs les déchets ou les effets suspects. Un autre danger de cette contamination externe est l’auto-irradiation du patient par les produits radioactifs dont il est couvert ; on éliminera cette cause d’irradiation en lavant le patient, sans agression cutanée pour éviter que la contamination externe ne pénètre par une effraction cutanée et se transforme en contamination interne. Le troisième danger de la contamination externe, et le plus réel, est précisément que celle-ci se convertisse en contamination interne ; ainsi un dépôt d’iode 131 sur les mains peut se transformer en contamination interne à l’occasion d’une cigarette fumée, d’une saucisse ingurgitée ou d’un raccord de rouge à lèvres : l’iode 131 pénètre dans l’organisme et va se fixer alors sur la thyroïde ; il devient difficile de l’éliminer mais l’irradiation thyroïdienne n’a pas la dangerosité immédiate d’une fracture du rachis cervical par exemple. Mais l’iode 131 est volatil et la contamination interne peut par ailleurs se faire directement par inhalation.

11 COMMENT AGISSENT LES RAYONNEMENTS IONISANTS ?
De l’ionisation des milieux à la lésion des tissus Une fois le patient soigné pour ses traumatismes et ses brûlures, on peut se poser la question des effets biologiques. Ils commencent avec l’ionisation des milieux irradiés et se développent jusqu’à l’apparition éventuelle de lésions biologiques. Mais toutes les radiations ionisantes ne sont pas équivalentes, même quant à l’ionisation qu’elles créent.

12 Les radiations ionisantes
a, protons : très peu pénétrants, densité ions créés +++ neutrons : pénétrants, densité ions créés ++ b : peu pénétrants, densité ions créés + g et X : pénétrants, densité ions créés + Si l’on prend l’exemple des protons ou des particules alpha, particules électriquement chargées et relativement lourdes, elles vont rapidement perdre leur énergie au fur et à mesure de leur traversée des tissus et elles seront incapables de traverser plus que le millimètre ; l’énergie perdue sert à arracher de nombreux électrons et à créer de nombreux ions ; la figure jointe visualise la densité des ions créés grâce à un dispositif analogue à la classique chambre à brouillard de Wilson ; on remarque que la particule dont on suit la trajectoire par les ions qu’elle sème sur son passage, perd en fait un maximum d’énergie en fin de parcours (vers la droite sur la figure) où la densité d’ionisation est plus importante (pic de Bragg). Les neutrons sont des particules plus difficiles à arrêter, de préférence en utilisant des matériaux légers comme le graphite ; ils sont électriquement neutres mais la densité des ions créés est ponctuellement importante. A l’opposé les rayonnements bêta (électrons émis lors d’une désintégration radioactive) sont des rayonnements assez peu pénétrants, ayant des densités d’ionisation assez modérées. Tandis que les rayonnements gamma ou X (ils ne différent que par leur origine, nucléaire pour les premiers, interaction d’électrons avec la matière pour les X), sont relativement pénétrants mais ont aussi des densités d’ionisation modérées.

13 Les radiations ionisantes
b : g, X : n : Les figures schématisent les densités d’ionisation créées par les différents rayonnements. Sur l’exemple repris de la particule lourde chargée, en fin de parcours un accident singulier a donné naissance à un électron secondaire lui-même ionisant, bien que beaucoup moins que la particule lourde comme l’indique leurs traces. Les neutrons sont ponctuellement très ionisants : ils ne sont pas électriquement chargés mais leur choc va faire reculer des noyaux légers qui se comporteront, eux comme les particules lourdes chargées. Les électrons sont de fait assez peu pénétrants et ils ont des densités d’ionisation modérées. Les rayonnements gamma ou X, sont plus pénétrants mais ont aussi un pouvoir ionisant modérés. C’est à partir de ces ionisations que divers les rayonnements ionisants vont exercer leurs effets biologiques particuliers.

14 La dose absorbée, le Gray
Les effets biologiques des rayonnements ionisants sont liés à l’énergie qu’ils déposent autour d’un point. L’unité utilisée est le Gray, 1 Gy = 1 J / Kg Le Gy a remplacé le rad, 100 fois plus petit. La dose absorbée, le Gray Pour approcher quantitativement ces effets biologiques des rayonnements ionisants, on peut exprimer - soit très logiquement leur pouvoir ionisant, ce qui était fait dans les anciennes unités qu’étaient les rœntgens, - soit, de façon plus immédiate encore, la densité d’énergie qu’ils délivrent en un point et autour de lui ; pour créer un ion il faudra dépenser en moyenne 33 électron-volts, la densité d’énergie est donc directement proportionnelle à la densité d’ionisation. Cette « dose absorbée » qui est une densité d’énergie, des joules par kilo, s’exprime avec une unité spécifique qui est le gray. Au temps du Rœntgen, on comptait la densité d’énergie absorbée en rad, qui valait le centime du gray actuel.

15 Dose radio-biologique
Jusqu’ici pas de différence entre le Gy d’origine radiologique et le J/Kg d’origine mécanique, électrique ou thermique Mais l’énergie distribuée par les R. Ionisantes peut rompre les acides nucléiques  soit par une atteinte directe, soit par un effet indirect : les molécules d’eau très nombreuses dans les tissus donnent naissance à des radicaux libres agressifs mais en absence d’oxygène, leur diffusion est limitée par une brève espérance de vie Que l’on envoie un pain de 1 joule sur 1 kg du massif facial (ce qui n’est pas méchant), que l’on fasse chauffer 1 kg de steak avec 1 joule (ce qui ne l’échauffera pas d’1/4000 de degré) ou que l’on irradie 1 kg de larves de drosophiles avec 1 joule, on peut toujours exprimer la densité d’énergie apportée au tissu comme étant de 1 J/kg, mais les effets seront assez différents. Aussi lorsque l’énergie apportée est d’origine radiologique (radiologie étant à prendre au sens de rayonnement ionisant en général, par opposition à photologie qui concerne des rayonnements non ionisants), exprime-t-on spécifiquement l’énergie en gray car dans ce cas elle est convertie en création d’ions : pour arracher chaque électron à la matière organique (essentiellement faite de H, O, C ou N), il faut céder en moyenne 33 électron-volts dont la moitié est effectivement consacrée à l’ionisation et dont l’autre moitié est perdue dans des opérations infructueuses. Cependant toutes les ionisations ne sont pas biologiquement équivalentes. Pour simplifier, on considérera ici que les seules qui comptent sont celles qui atteignent les acides nucléiques (en fait on sait depuis longtemps qu’il existe d’autres possibilités biologiques, on commence seulement à en percevoir la signification). Cependant la probabilité que l’ionisation porte directement sur un acide nucléique et le rende incapable d’assurer la descendance normale d’une cellule est très faible. A côté de ces ionisations directes, beaucoup plus fréquentes sont les atteintes indirectes c’est à dire que l’ionisation initiale ne porte pas sur l’acide nucléique mais d’abord sur les molécules d’eau, très abondantes dans les tissus biologiques : l’ionisation de la molécule d’eau donne naissance à des radicaux libres, hydrogène atomique ou radicaux hydroxyles non ionisés, détachés de la molécule d’eau sans charge électrique mais ne possédant sur l’orbitale périphérique qu’un électron célibataire au lieu des deux habituellement appariés ; de tels radicaux libres à l’électron célibataire sont agressifs car ils cherchent à compléter leur orbitale en essayant de se saisir d’un électron prélevé à une autre molécule, à un acide nucléique par exemple. En l’absence d’oxygène, ces radicaux libres ont une durée de vie très limitée car rapidement ils se rabibochent pour recomposer la molécule d’eau et la probabilité qu’ils ont de lèser un acide nucléique est également très limitée. Mais en présence d’oxygène, ces radicaux libres issus de la radiolyse de l’eau se combinent à l’oxygène pour donner de l’eau oxygénée au potentiel oxydant également très agressif mais qui bénéficie d’une stabilité importante et leur probabilité de léser un acide nucléique est élevée.

16 Effet radio-biologique
Donc, les lésions des acides nucléiques sont liées essentiellement aux agressions des radicaux libres. Deux remarques importantes : l’effet oxygène augmente la radiosensibilité et explique la radio-résistance des tissus et tumeurs hypoxiques tous les radicaux libres (inflammation chronique, vieillissement, métabolisme oxydant physiologique) peuvent créer des lésions des acides nucléiques : plus de lésions par cellule et par jour En présence d’oxygène, les lésions radiobiologiques vont être plus facilement observées, inversement des tumeurs hypoxiques seront relativement résistantes aux tentatives de destruction par la radiothérapie. On a estimé qu’1 Gy pouvait entraîner dans une cellule de mammifère ionisations directes d’acides nucléiques, ionisations de molécules d’eau, et au total lésions d ’acides nucléiques. Mais il n’y a aucune raison que les acides nucléiques ne soient atteints que par les radicaux libres de la radiolyse de l’eau : le métabolisme oxydant inflammatoire ou simplement physiologique crée spontanément une quantité considérable de radicaux libres, indépendamment de toute irradiation. Et le nombre d’altérations quotidiennes spontanées d’acides nucléiques dans chaque cellule est impressionnant, équivalent au nombre de lésions que créeraient plusieurs grays.

17 Effet radio-biologique
Mais les systèmes enzymatiques cellulaires de réparation nucléique sont nombreux (> 80), variés et très efficaces. Ils seraient même susceptibles de s’adapter. La plupart des lésions seront complètement et parfaitement réparées. Il est tout à fait remarquable qu’autant de lésions laissent si peu de traces. C’est que dans chaque cellule, on trouve des systèmes de réparation des lésions nucléaires. Le plus classique d’entre eux consiste à mettre au net les extrémités effilochées de la lésion nucléique (grâce à une exonucléase), à s’aider du brin normal de la double hélice pour tricoter un patch qui comblera le vide (grâce à une ADN-polymérase), puis à coudre cette pièce sur l’acide nucléique (grâce à une ligase). Cette collaboration de plusieurs enzymes de réparation nucléique n’est pas la seule procédure dont dispose la cellule pour réparer les lésions nucléiques, et actuellement plus de 80 systèmes enzymatiques reconnus sont susceptibles d’intervenir, et de façon très efficace puisque les multitudes de lésions qui surviennent chaque jour dans chaque cellule sont réparées sans laisser de trace. Certains systèmes dits SOS qui ne sont pas présents en permanence dans la cellule sont synthétisés à la demande. L’hormésis est une hypothèse selon laquelle l’organisme pourrait s’adapter à un certain niveau d’irradiation ; cette théorie (qui n’est pas actuellement politiquement correcte) pourrait contribuer à expliquer qu’il existe des régions du globe (par exemple à la pointe de la péninsule indienne, au Kérala et au Tamil Nadu) où l’irradiation naturelle est importante sans que les lésions radiobiologiques se manifestent particulièrement ; l’explication par la stimulation des processus enzymatiques de réparation nucléique semblerait naturelle.