Mes livres :   Atomes et matière,                                               ISBN 978-2919314-027,   360 pages, 34 € Mécanique céleste et Cosmologie,                 ISBN 978-2919314-003,   158 pages,  18  € Atoms and matter                                                ISBN 978-2919314-034,   338 pages  34 €   Expédiés franco contre Chèque à la Commande à :   Iliade-édition, 17 rue des Fougères, Z.I. de l'Ormeau de Pied    17115 Saintes Cedex tél : 05 46 93 08 12 -

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Le traitement des déchets radioactifs

 

  Contrairement à ce qui se fait actuellement, les déchets radioactifs ne doivent pas être concentrés en vue de leur stockage. En effet, la meilleure façon de les rendre inoffensifs, c’est de les diluer au maximum.

  Pour comprendre cela, il faut se rappeler que l’homme ne crée pas les éléments radioactifs. Il ne fait qu’utiliser ceux qui existent à l’état naturel. Les matières radioactives existent dans la nature et sont extraites sous forme très diluée. La préparation des matériaux fissibles en vue de leur utilisation à des fins de production d’énergie nécessite leur concentration.

 

 

La radioactivité est-elle nécessaire à la vie ?

 

  Par ailleurs, nous baignons en permanence dans un milieu radioactif.

  Le carbone qui constitue l’élément essentiel de la matière organique dont nos corps et nos aliments sont composés, contient toujours une proportion non négligeable de Carbone 14 radioactif. Cette proportion de ¹⁴C est caractéristique de la matière vivante et est constante pour tous les matériaux vivants. C’est du reste sur cette analyse qu’est basé le principe de la datation par la méthode dite du Carbone 14  : le rapport entre la proportion de ¹⁴C/¹²C contenue dans un matériau organique fossile et celui que contient un organisme vivant permet de déterminer le temps qui s’est écoulé depuis la fin biologique de ce matériau. Plus ce taux est faible, plus longue est la période qui s’est écoulée depuis la mort de l’organisme. La proportion de ¹⁴C radioactif diminue avec le temps dans les organismes morts. L’on peut donc se poser la question de savoir si la radioactivité (à faible dose, bien sûr) n’est pas une des conditions nécessaires à l’existence du vivant.

 

 

La radioactivité naturelle.

 

  On a tendance à considérer que les éléments radioactifs le sont d’une façon naturelle, que la désintégration d’un atome se fait d’une manière spontanée sans cause extérieure. Cette idée est en contradiction avec la notion de masse critique.

  On sait que le nombre de désintégrations qui se produisent simultanément dans une masse de matière radioactive dépend de la grandeur de cette masse. Prenons par exemple, l’uranium. Tant que la masse de matière est inférieure à une certaine quantité, le nombre de désintégrations par seconde reste en deçà du seuil critique et il n’y a pas, selon les idées actuellement admises, de réaction en chaîne. Cette réaction en chaîne va, croit-on, se produire si on augmente la masse d’uranium. Il est évident que la forme de cette nouvelle masse joue un rôle prépondérant et que l’on n’obtiendrait pas de réaction en chaîne si, par exemple, les deux moitiés de masse étaient mises bout à bout au lieu d’être placées côte à côte.

 

N(t2) < N(t1)

N(t2) > N(t1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

En fait, il se produit toujours une réaction en chaîne, mais dans le cas représenté sur la figure de gauche, la configuration de la masse est telle que les particules émises ont plus de chances d’être absorbées par d’autres atomes et le nombre de réactions à l’instant t₂ sera supérieur à celui de l’instant t₁, la croissance est exponentielle. Dans le cas représenté par la figure de droite, un grand nombre de particules émises par les désintégrations se produisant à l’instant t₁ se propagent à l’extérieur de la masse et ne provoquent pas de nouvelles désintégrations. Le nombre de nouvelles désintégrations à l’instant t₂ sera inférieur à ce qu’il était à l’instant t_1. Il y a décroissance exponentielle.

  Il y a donc, d’une façon évidente, une interaction entre les atomes se désintégrant et ceux qui vont se désintégrer l’instant d’après. Il y a également une relation directe entre le nombre de désintégrations dans l’unité de temps et l’environnement de la masse de matière radioactive.

 

 

Mécanisme de la réaction en chaîne

 

  Lorsqu’un atome se désintègre, il éjecte une ou plusieurs particules. La direction que prend chacune de ces particules dépend de la position qu’elles occupaient dans l’atome au moment de l’événement. En général, pour un élément chimique donné, le mode de désintégration et le type de particules éjectées sont toujours les mêmes. La vitesse avec laquelle une particule est éjectée est déterminée par l’intensité de l’interaction répulsive coulombienne entre cette particule et l’atome au moment de la désintégration. De plus, la dimension de la particule éjectée dépend de sa vitesse selon la relation d’Einstein : la particule se contracte en fonction de la vitesse selon

 r = r₀(1-v²/c²)^1/2  où r est le rayon de la particule éjectée, r_0, le rayon qu’elle a au repos et c la célérité de la lumière. Ainsi, plus grande est la vitesse d’éjection de la particule, plus petites seront ses dimensions et plus faibles seront ses chances d’entrer en interaction avec un atome voisin et plus grand sera le trajet qu’elle pourra parcourir. Comme la direction d’éjection est aléatoire, étant donné le nombre d’atomes que contient la masse radioactive, en moyenne, dans l’unité de temps, les éjections se font d’une façon homogène dans toutes les directions de l’espace. Si la forme de la masse radioactive n’est pas isotrope, si elle est, par exemple, beaucoup plus longue que large ou que haute et que le libre parcours des particules éjectées est plus grand que l’une de ces dimensions, les particules éjectées pourront, dans ces directions, sortir de la masse sans rentrer en interaction avec d’autres atomes (c’est la radioactivité qui se dégage de la masse de matière), si bien que le nombre d’interactions provoquées par les particules incidentes sera inférieur au nombre de désintégrations qui s’étaient produites l’instant antérieur. Si, par contre, la forme de la masse radioactive est telle que toutes les particules éjectées ont la possibilité d’entrer en interaction avec un autre atome et que chaque désintégration libère plusieurs particules, le nombre de désintégrations dans l’unité de temps sera supérieur à ce qu’il était l’instant d’avant, la croissance sera exponentielle, c’est la réaction en chaîne.

  Ainsi, nous voyons que dans tous les cas, la désintégration d’un atome n’est pas un événement spontané. Une désintégration est toujours un événement provoqué par une cause extérieure.

 

 

Stabilité des atomes dits radioactifs.

 

  Contrairement à ce qui est actuellement admis, les atomes dits radioactifs sont intrinsèquement parfaitement stables. En effet, si la période d’un élément est T, au bout de ce laps de temps, la moitié des atomes potentiellement radioactifs auront été désintégrés, au terme de 2 périodes, il n’en restera que le quart, au terme de 3 périodes, il n’y en aura plus que le huitième et après n périodes, la quantité d’atomes potentiellement radioactifs sera réduite à 1/2ⁿ de la quantité initiale. Si la période T est, comme pour le ¹⁴C de 4700 ans par exemple, il restera au terme de 8 périodes, soit 37600 ans, environ 1/4000^e de la quantité initiale d’atomes potentiellement radioactifs. Si la masse de matière était de 1 kg par exemple et que le pourcentage de ¹⁴C/¹²C était à l’origine de 10^-9, il resterait au terme de ces 37600 ans environ  1,24 10¹³ atomes de ¹⁴C sur les 5 10¹⁶ atomes présents à l’origine.

  On peut faire d’autres calculs qui mettront en évidence le fait que les atomes dits radioactifs, même ceux d’éléments à très courte période, sont parfaitement stables, par exemple l’azote ¹⁶N dont la période est de 7,35 seconde. Dans un litre d’air aux conditions normales (0°C et 1 atmosphère) pour 2.10²² molécules de ¹⁴N, il y a environ 4.10¹³ atomes de ¹⁶N, au bout de 1 minute, il en restera 1,5 10¹¹ environ.

  Si l’on fait ce même calcul avec l’uranium ²³⁸U ou le thorium ²³²Th dont les périodes sont respectivement de 4,5 et 13,9 milliards d’années, on voit que la plupart des atomes de ces éléments n’ont que très peu de chances de se désintégrer au cours de la durée de vie de l’Univers.

  Il est évident que si le phénomène de la désintégration était un événement spontané, indépendant de toute cause extérieure, chaque atome pourrait se désintégrer à n’importe quel moment sans tenir compte de ce que font les autres atomes. Il n’y aurait donc aucune loi qui régisse le nombre de désintégration en fonction du temps. On pourrait alors observer une courbe chaotique de l’intensité de la radioactivité d’une masse de matière et cette courbe serait différente d’une masse à une autre ayant le même nombre d’atomes et la même teneur en atomes potentiellement radioactifs. De plus, il n’y aurait aucune raison pour que les atomes n’usent pas de la faculté de se désintégrer tous en même temps ou dans un laps de temps très court ou bien décident de ne pas le faire pendant une période de temps relativement longue.

  Le fait que le nombre de désintégrations dans l’unité de temps est toujours proportionnel au nombre d’atomes potentiellement radioactifs restant s’explique si l’on admet que les désintégrations sont provoquées en chaîne par les désintégrations immédiatement antérieures. Chaque atome en se désintégrant expulse les particules qui vont provoquer d’autres désintégrations si elles rencontrent un atome potentiellement fissible. Avec le temps, il en restera de moins en moins, ce qui explique la loi de décroissance observée. Les particules émises à chaque désintégration qui ne provoquent pas un nouvel événement sont expulsées hors du bloc de matière et provoque la radioactivité que nous pouvons observer. Il est évident que nous n’observons pas les désintégrations dont les produits servent à provoquer d’autres désintégrations au sein du bloc de matière, nous n’observons que les particules qui émanent de cette matière et qui n’ont pas provoquer d’événement de fission.

    

 

Le traitement des déchets radioactifs

 

  De ce qui précède, il apparaît que le confinement des éléments potentiellement fissibles ne peut que provoquer une intensité accrue de la radioactivité. Si, lors d’une désintégration, les particules éjectées ne rencontrent aucun atome potentiellement fissible, il ne se produira aucune désintégration nouvelle.

  Lorsque l’on dilue une certaine quantité de matière radioactive dans un substrat comme l’eau ou le sable par exemple, la probabilité pour que les particules éjectées lors d’une désintégration provoquent de nouvelles désintégrations disparaît dans la plupart des cas. En effet, pour qu’une nouvelle désintégration se produise, il faut que les particules éjectées rencontrent des atomes potentiellement fissibles. Si la dilution est suffisante, les atomes de l’élément radioactif considéré seront éloignés les uns des autres d’une distance supérieure au libre parcours des particules projetées et aucune désintégration ne pourra plus être provoquée. Les molécules d’eau ou de silice peuvent absorber une particule incidente sans que cela provoque une nouvelle fission comme on peut le voir sur le tableau ci-dessous.

 

 

 

 

Nota : Nous ne considérons que les interactions des rayonnements avec les atomes de la matière cible. Les effets thermiques que ces interactions peuvent induire ne sont pas prises en compte.

 

  Comme on le voit, le rayonnement g est le plus pénétrant de tous les effets de la radioactivité.  Mais ce dernier provoque toujours et très rapidement, la formation d’électrons qui finissent par dissiper la totalité de  l’énergie. C’est finalement ces électrons qu’il convient d’absorber.

  L’effet photoélectrique se révèle efficace jusqu’à des énergies de 50 keV avec l’aluminium, l’air ou l’eau ; jusqu’à 150 keV avec le cuivre et avec le plomb il reste efficace pour des g de 500 keV.

  Dans l’air, l’eau et l’aluminium les g de 50 keV à 15 MeV sont absorbés par Effet Compton. Dans le cuivre, cet effet est produit par des g d’énergie jusqu’à 150 keV et dans le plomb l’énergie peut varier de 500 keV à 5 MeV.

  La création de paires d’électrons dans l’air, l’eau, l’aluminium ou le cuivre n’a lieu qu’avec des énergies supérieures à 10 MeV.

 

  D’après l’expérience acquise, des g  de 1,2 MeV (radiocobalt) peuvent  être absorbés à 90% par 4 cm et à 99% par 12,3 cm de plomb. Pour obtenir une réduction à 90%, il faut 20 cm de béton ou 45 cm d’eau.

 

 

Conclusions

 

  La dilution des matériaux radioactifs apparaît comme le moyen le plus efficace pour diminuer les risques d’irradiation. Toutefois, cette méthode n’est pas toujours suffisante car il faut obtenir une dilution telle que les atomes soient suffisamment éloignés les uns des autres pour éviter toute interaction qui conduise à une réaction en chaîne, même si celle-ci a un coefficient inférieur à l’unité.

  Cependant ce procédé s’avère possible et sans risque pour l’environnement si l’on disperse les déchets dans les grandes fosses océaniques après les avoir broyés ou pulvérisés.

  Il faut se rappeler qu’avec une dilution à 1 pour mille par exemple on obtient un résultat meilleur   qu’avec un vieillissement de 10 périodes car les atomes étant plus éloignés les uns des autres ont moins de chance de provoquer de nouvelles désintégrations.

  Ainsi, une masse de cobalt radioactive diluée 10 fois dans n’importe quel substrat (eau ou sable par exemple) sera moins dangereuse que derrière une paroi de 20 cm de béton ou de 45 cm d’eau.

  Les structures métalliques contaminées peuvent être recyclées dans les hauts-fourneaux mélangés à de grandes quantités de minerai vierge. Une dilution à 1 pour 1000 ferait que la radioactivité du mélange serait pratiquement nulle du fait de l’éloignement des atomes potentiellement fissibles les uns des autres.

 

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