La radioactivité et les minéraux

Ce dossier a été constitué grâce aux informations diffusées par l’IRSN, l’ANDRA, la base de connaissance grand public laradioactivite.com, la contribution de J.-C. Boulliard et les documents des fabricants de matériel de détection de la radioactivité.

Voir aussi le dossier consacré à la radioactivité : cliquer ici

La radioactivité est un phénomène naturel : c’est la transformation d’atomes instables, avec émission de matière et d’énergie, sous forme de rayons alpha (a), qui sont des noyaux d’hélium, bêta (b) qui sont des électrons, ou gamma (g) qui sont des photons ; particules de lumière plus énergétiques que les rayons X. La radioactivité naturelle est faible mais elle est présente partout, tout le temps.

Beaucoup de roches et de minéraux contiennent plus ou moins d’atomes d’uranium et de thorium radioactifs. Le corps humain lui-même est radioactif car il contient une variété de potassium, (l’isotope ⁴⁰K). A la radioactivité terrestre s’ajoutent l’espace et le Soleil qui sont d’autres sources de radiations.

Il y a deux mondes ; celui de la radioactivité naturelle et celui de la radioactivité artificielle des centrales nucléaires et de l’armement. Il est question ici de la radioactivité naturelle.

La radioactivité a été découverte en 1896 par Henri Becquerel (1852-1908) sur des sels d’uranium. Ce métal avait été isolé en 1789, principalement extrait de la pechblende.

D’autres minéraux uranifères fréquents comme l’autunite et la torbernite ont été décrits vers la fin de ce siècle. Quelques autres, comme l’uranophane (1853), la carnotite (1899), la liebigite (1848) ou la schröckingerite (1873) sont décrits durant le 19^e siècle (voir mindat.org).

Au début du 20^e siècle l’engouement pour le radium fait des ravages. Utilisé en pharmacie, cosmétiques et autres, son utilisation est interdite en 1937, sauf en radiothérapie et totalement abandonnée en 1976. (Voir notre article sur www.geopolis.fr : La radioactivité).

Après la seconde guerre mondiale l’intérêt pour les gisements d’uranium croît pour développer le nucléaire civil et militaire. La France était pionnière et ouvrait de nombreuses mines sur son territoire, Saint-Pierre (Cantal), la division minière de la Crouzille, Margnac-Compreignac (Haute-Vienne), les Bois-Noirs Limouzat (Loire), près de 210 sites sur 25 départements pour une production de 76 000 T d’uranium et à l’étranger le district du Haut-Ogooué avec le gisement de Mounana, au Gabon.

L’ATTRAIT POUR LES MINERAUX DE THORIUM ET D’URANIUM

Liées à ces nombreuses exploitations, des minerais d’altération secondaires, souvent proches de la surface, forment des minéraux radioactifs très colorés, esthétiques et de belles dimensions avec des cristaux centimétriques, séduisent les collectionneurs. De nombreuses nouvelles espèces voient le jour comme la rameauite, la compreignacite, la francevillite, la chervetite, la curienite, la lenoblite, la bariandite et la schubnelite et enrichissent les collections.

Mindat répertorie et présente de nombreuses photographies de ces minéraux.

1. Dans l’onglet Search Minerals By Chemistry - https://www.mindat.org/chemsearch.php
2. Sélectionnez U dans le tableau de Mendeleiev
3. puis search minerals : 437 minéraux uranifères répertoriés
4. Sélectionnez Th dans le tableau de Mendeleiev
5. puis search minerals : 106 minéraux thorifères répertoriés.

LES RISQUES

Nous possédons cinq sens qui nous permettent d’appréhender d’éventuels risques ; chaud, brulant, froid, amer, beurk dégoutant, fort, soufré, aigu, … , mais nous ne possédons pas de sens qui nous permette de détecter la radioactivité.

Nos sens peuvent nous renseigner pour certaines roches et minéraux présentant une palette de couleurs très caractéristiques du jaune au vert assez reconnaissables, comme l’autunite, la torbernite, l’uranophane, la cuproslodowskite. Mais d’autres sont plutôt ternes et massifs comme la pechblende, l’uraninite ou la monazite, sans signes particuliers, peut être leur densité, pour certains, peut-elle nous interroger ?

Certains minéraux sont fragiles, s’altèrent avec le temps et génèrent des poussières. C’est le cas de minéraux des zones altérées, de minéraux micacés, lorsqu’ils ne sont pas stabilisés, par exemple la vanuralite de Mounana.

La manipulation des roches et des minéraux les plus friables peut engendrer un risque de dispersion de poussières et d’exposition interne en cas d’inhalation ou d’ingestion de ces poussières.

Il existe de nombreuses roches et minéraux renfermant de l’uranium ou du thorium, en concentrations variables. Il faut penser également aux espèces minérales qui peuvent renfermer U ou Th dans certaines conditions, comme le zircon. Ainsi qu’aux espèces minérales fréquemment associées à d’autres minéraux radioactifs, comme les minéraux de terres rares dans le cas de dépôts de minéraux lourds, ou des minéraux des gisements de phosphates.

La désintégration des radionucléides présents dans ces minéraux augmente le niveau de radioactivité naturelle ambiant, notamment en gaz radon.

Le radon est une composante particulière de l’irradiation naturelle. Le radon est un gaz, il peut être inhalé. Or une matière ingérée est plus nocive car les particules interagissent avec la matière biologique. Il n’y a plus d’atténuation de l’exposition avec la distance. Le gaz radon a une durée de vie courte (quelques jours), en revanche ses descendants ont des durées de vie plus longues, ils peuvent se fixer dans le corps et s’y accumuler pendant des décennies.

Les risques viennent des radiations et de concentrations excessives de radon. Pour les détecter il faut s’équiper des instruments permettant de les mesurer, des appareils de mesure des rayonnements compteurs Geiger-Muller, gamma « gammamètre » (radiamètre) et du radon.

MESURE DES RISQUES : LES UNITES

Il existe plusieurs unités de mesure de la radioactivité. Celles qui sont les plus utilisées sont le Sievert, Sv et le Becquerel.

• Pour les irradiations sur la matière vivante, elles se mesurent en mSv (microSievert) et en mSv (milliSievert).
• Pour le radon dans un environnement, en Becquerel, nombre de désintégrations par seconde par mètre cube, (Bq/m³).

Les connaissances acquises sur les conséquences des irradiations ont permis d’établir des seuils de doses reçues.

MESURE DES RISQUES : QUELQUES CHIFFRES REPÈRES

L’exposition naturelle annuelle commence à partir d’1mSv pour les régions les moins radioactives, comme le Bassin Parisien, et atteint des records de 50 mSv dans certaines régions du Brésil, d’Iran ou d’Inde.

On estime que la dose naturelle annuelle moyenne mondiale se situe autour de 2,5 mSv.

En France, l’irradiation moyenne annuelle d’origine naturelle est de 2,9 mSv à laquelle s’ajoute l’irradiation artificielle dont la moyenne annuelle est de 1,6 mSv.

Les régions qui ont les radioactivités record à 50 mSv/an ne présentent pas de pourcentage anormal de pathologies liées à la radioactivité.

On estime que l’impact sur les statistiques de santé devient détectable à partir de 100 mSv/an. A cette dose, selon l’Académie Américaine, 1 personne sur 100 développera un cancer à cause de l’irradiation (Delbecq, 2013). Pour 10 mSv/an, ce chiffre descend à 1 personne sur 1000. Sachant que 42 personnes sur 100 contracteront un cancer dû à d’autres causes. N’oublions pas cependant que nous ne sommes pas tous égaux devant les radiations, comme les autres matières cancérigènes.

• Exposition au radon

La part de dose d’irradiation moyenne annuelle naturelle due au radon est de 1,5 mSv en France, avec une forte disparité, entre 0,54 et 6,5 mSv (chiffres de l’IRSN). Selon l’organisation mondiale de la santé (aide-mémoire n°291, mise à jour d’octobre 2009), le radon serait, dans de nombreux pays, la deuxième cause de cancer du poumon après le tabagisme.

• Les « doses-seuils » fixés par la réglementation sur la santé publique et la prévention des risques professionnels

En France, des mesures préventives doivent être prises dès que l’exposition est susceptible de dépasser les niveaux suivants :

• 0,08 mSv/mois, soit 80mSv/mois pour l’organisme entier. Soit 1 mSv/an.
• 4mSv/mois pour les extrémités et la peau. Cette dose est donnée par cm² (4mSv/mois/cm²), quelle que soit la surface exposée.
• 6 mSv/an en dose efficace d’activité du radon.
• Pour le radon le seuil limite a été baissé à 300 Bq/m³ en moyenne annuelle. Au-delà, des actions doivent être entamées pour réduire le niveau en-dessous de ce seuil.

MEDURE DES RISQUES : DETECTION DE LA RADIOACTIVITE

Le compteur Geiger-Muller

Il a été mis au point par Hans Geiger et Walter Müller en 1928. Il permet d’indiquer la présence de rayonnements ionisants, il peut détecter tous les rayonnements sans distinguer le type de rayonnement, émis par une source radioactive et son intensité. Il aide à localiser cette source, identifier les risques possibles et prendre des mesures si nécessaire.

Il est constitué d’un tube Geiger-Muller, rempli d’un gaz rare (argon, hélium, néon,  non conducteur) traversé par un fil de métal. Le tube cylindrique est la cathode (pole -) et le fil de métal l’anode (pole +) avec une grande différence de potentiel entre les deux.

Lorsqu’un rayonnement incident pénètre dans le tube il a pour effet d’ioniser le gaz rare (il arrache les électrons du gaz qui vont chercher à rejoindre l’anode) et produit un courant électrique, converti en son ; « un crépitement » qui permet de suivre la mesure à l’oreille, ou enregistré pour être affiché, quand l’électronique de traitement le permet.

Il existe une grande variété de compteurs Geiger. On distingue deux catégories, selon que le tube possède une fenêtre ou non à son extrémité.

• Tubes avec fenêtre ou scintillomètre. La fenêtre étant faite avec un matériau peu absorbant comme le mica, des particules bêta peuvent pénétrer dans le tube et y être détectées. Pour la détection des particules alpha, au parcours très court, la source doit être en quasi-contact avec la fenêtre.
• Tubes sans fenêtre. Ces tubes sans fenêtre et suivant l’épaisseur des parois métalliques de la chambre, sont utilisés pour la détection de rayons gamma et X, et la mesure de débits de dose.

©ANDRA

Dans le compteur Geiger de gauche, le tube est séparé du boitier assurant l’alimentation électrique, les circuits électroniques et l’affichage des résultats.

Dans le petit détecteur de droite, utilisé pour la mesure de débits de doses, tous ces éléments sont réunis dans un seul boitier qui tient dans une main. Le tube Geiger qui se trouve à l’intérieur est petit et nécessite un voltage en proportion, assuré par une pile.

Modes de lecture

Les impulsions sont mises en forme par l’électronique pour être comptées. Le résultat peut être converti en son un « crépitement » qui permet de suivre la mesure à l’oreille, ou affiché sur un afficheur digital, ou les deux.

Il existe deux modes de lecture de rayonnement détecté : un simple comptage du rayonnement détecté : une.

• Simple affichage des taux de comptage mesure de la dose de rayonnement reçue.  Le taux de comptage est le nombre de rayonnements détectés enregistrés sur une période de temps définie, seconde, minute … Ce mode est normalement utilisé à proximité d’une source émettrice de particules alpha ou béta.

• Évaluation d’un débit de dose résultant des rayons gamma ou X. Cette évaluation est délicate. La nombre de photons détectés ne suffit pas, car un tube Geiger – Müller ne mesure pas leur énergie, qui entre également dans le calcul des débits de doses reçues. Pour évaluer ces débits de dose à partir des taux de comptage, il est nécessaire d’appliquer une “compensation d’énergie”, qui est effectuée par l’électronique à partir de facteurs correctifs déterminés lors de la conception et l’étalonnage de l’appareil. Cette technique de « compensation d’énergie» consiste à ajouter un écran de matériau absorbant autour du tube. Ce filtre absorbe préférentiellement les photons de basse énergie. L’évaluation de la dose est ainsi “améliorée”.

Composantes d’un compteur Geiger portable

© Wikipedia

Ces détecteurs portables, très maniables, sont utilisées pour la mesure de débits de dose provenant de rayons gamma et X. On voit au centre les circuits d’électronique et l’écran d’affichage et à droite le tube et le compartiment de batteries. A cause des petites dimensions du tube, l’obtention d’un champ électrique suffisant à l’intérieur, se fait à l’aide de batteries.

Limitations, il existe deux limitations principales :

• Le tube ne fait pas la différence entre les types de rayonnement. La réponse d’un tube Geiger – Müller est de la même ampleur quelle que soit la nature du rayonnement,
• Il reste muet face à un taux de rayonnement élevé, en raison du “temps mort” des tubes. Un tube devient provisoirement insensible après chaque ionisation du gaz. Durant ce “temps mort” tout autre rayonnement incident n’aura pas d’impact. Les chambres d’ionisation sont préférées pour des taux de rayonnement élevés.

DETECTION DU RADON

Le dosimètre permet de mesurer le radon présent dans l’air ambiant. La détection se fait grâce à un film en polymère traité sur lequel chaque impact de particule alpha laisse une trace, comme un film photographique. Le nombre d’impacts (déterminée en laboratoire), et la durée de la mesure permet d’estimer la concentration en radon exprimée en becquerels par mètre cube., Il existe aussi des détecteurs de radon avec mesure électronique.

ATTENUATION DES RISQUES

• La réduction du niveau de radon

En général, si rien n’est fait, le niveau de gaz radon dans un lieu clos et fermé contenant des minéraux radioactifs, dépasse le seuil admis. Ce n’est pas un problème difficile à résoudre, mais il demande quelques investissements. Le radon est un gaz et l’on s’en débarrasse avec une ventilation adaptée. Cette ventilation peut être celle de la salle de stockage des spécimens radioactifs. Si elle est insuffisante, on peut aussi opter pour une armoire de chimie ventilée.

• Le conditionnement par mise sous cellophane ou mise en boite

Pendant le repérage des minéraux radioactifs, on les conditionnera en les mettant dans des boites plastiques transparentes et si l’on n’en a pas, dans des sachets plastiques transparents.

Conditionnement de minéraux d’uranium et de thorium dans des boites fermées ou des sachets en plastique fermés.

Les manipulations de ces minéraux sont d’autant plus sécurisées si l’on porte au moins des gants à usage unique, et si possible une blouse, une charlotte et un masque. Et que l’on se lave les mains après les avoir manipulés.

EN CONCLUSION

Les risques viennent de doses d’expositions dépassant des seuils précis. On peut évaluer le risque si on peut le mesurer. Pour le faire il suffit d’acquérir un appareil de mesure des débits de doses (gradué en mSv/heures). On peut calculer les doses reçues en multipliant les débits de dose par les durées d’exposition. Comme les débits de dose décroissent rapidement avec la distance, on diminue ce risque, jusqu’à le rendre négligeable, en rangeant les minéraux loin des zones que l’on fréquente, quand les doses reçues sont en dessous des seuils : < 1mSv/an.

SOURCES A CONSULTER

• Les risques liés aux minéraux radioactifs https://www.irsn.fr 24/06/2024

Les collections de minéraux sont parfois radioactives. L’IRSN et d’autres acteurs publics aident les musées et les collectionneurs privés à évaluer et à limiter les risques radiologiques.

 Des spécialistes en radioprotection de l’IRSN interviennent régulièrement dans les musées ou auprès de particuliers qui disposent des grandes collections de minéraux. Ils examinent les risques radiologiques puis suggèrent des solutions.

• Tout savoir sur le radonhttps://youtu.be/xLiu-VJ97C4?
• Site de l’ANDRA, andra.fr - https://www.andra.fr/les-dechets-radioactifs/la-radioactivite/mesures-de-la-radioactivite
• Site laradioactivité.com
  • https://laradioactivite.com/articles/laboratoire/lesdetecteurshistoriques
  • https://laradioactivite.com/articles/laboratoire/compteurs_geiger

• La lettre de l’OCIM N° 206 juillet Aout 2023 : Médiation des sciences - Gestion de la radioactivité dans les collections des minéraux, Retours d’expérience - Paola GIURA et Jean-Claude BOULLIARD

Images

Collection de minéraux de Sorbonne université, Alain Jeanne-Michaud

MIM Musée de Minéraux de Beyrouth