Des radioéléments aussi vieux que la Terre et leur descendance
La nébuleuse du Crabe
La nébuleuse du Crabe est le reste d’une explosion qui s’est produite il y 6000 ans et qui a été observée sur Terre en 1054 par des astronomes chinois et des indiens Navajos. C’est lors de l’explosion de certaines supernovae que sont produits, par une succession rapides de captures de neutrons, des éléments lourds comme le platine, l’or ou l’uranium. Ces éléments sont dispersés par l’explosion dans l’espace galactique.
© IN2P3/NEPAL
La principale source de radioactivité naturelle est due à la présence dans la croûte terrestre de trois noyaux radioactifs primordiaux : le thorium-232, l’uranium-235 et l’uranium-238. En raison de leurs très longues durées de vie (de l’ordre du milliard ou de plusieurs milliards d’années), ils sont encore loin d’avoir disparu et font pour cette raison partie intégrante de notre environnement.
Primordiaux signifie que ces éléments sont présents depuis la formation du système solaire et de la Terre. Il convient d’ajouter à ces trois radioéléments primordiaux une poignée de radioéléments dont la période dépasse 10 milliards d’années et qui n’ont pas de descendance radioactive. Le plus important est un isotope du potassium, le potassium-40 assimilé par les êtres vivants, puis le rubidium-87.
Ces trois noyaux radioactifs primordiaux sont les plus gros observés dans la nature. Ils étaient déjà présents dans des nuages de poussière interstellaire dont l’agrégation a donné lieu à la formation d’étoiles et de planètes, comme cela s’est passé pour le Soleil et la Terre il y a 4,5 milliards d’années. Ces nuages sont produits lors de l’explosion de supernovæ, des événements spectaculaires qui marquent la fin de la vie de très grosses étoiles et permettent de fabriquer des noyaux plus lourds que le fer.
La filiation du thorium
Le thorium naturel (thorium-232) est comme l’uranium-238 à l’origine d’une succession d’éléments radioactifs qui se termine par un isotope stable du plomb, le plomb-208. La filiation du thorium comporte comme celle de l’uranium un élément gazeux, le radon-220, appelé, pour des raisons historiques le thoron. Cette émanation radioactive est moins dangereuse que le radon de l’uranium. La période du thoron n’étant que de 55 secondes, le gaz n’a pratiquement pas le temps de s’échapper de la roche.
© IN2P3
“Poussières d’étoiles”, le thorium-232, l’uranium-235 et l’uranium-238 sont les ancêtres de trois familles radioactives et engendrent une descendance d’autres noyaux radioactifs à vie plus courte. L’uranium-235 ayant en grande partie disparu depuis la formation de la terre, les deux principales familles sont celles du thorium-232 et de l’uranium-238.
Ces deux radioéléments dont les durées de vie se comptent en milliards d’années sont les ancêtres, géniteurs, sources de ces deux familles radioactives dont les descendants coexistent avec eux dans les roches et l’environnement naturel. C’est ainsi que dans le granit, on trouve à côté de l’uranium des traces de radium. Cet élément radioactif ne vit que 1600 ans. Il aurait disparu depuis longtemps s’il n’était régénéré en permanence en tant que membre de la chaîne radioactive de l’uranium-238.
Le rayonnement « tellurique », le rayonnement des roches, dû à la présence de l’uranium, du thorium et de leurs descendants, conduit à une exposition externe dont les gamma sont la source principale. L’intensité du rayonnement s’échappant des roches est mesurée à un mètre du sol. On évalue ensuite en fonction de l’énergie et la nature des rayonnements, la dose efficace résultant d’une exposition sur un an. Le résultat est généralement exprimé en milligray (millième de Gray ou mGy) par an. La moyenne mondiale est estimée à 0,4 mGy par an.
Filiation de l’uranium
Les filiations radioactives de l’uranium et du thorium sont responsables en partie de la radioactivité naturelle. On retrouve leurs descendants à l’état de traces dans les minerais d’uranium et de thorium, par exemple à raison de 0,34 gramme de radium et 0,0000012 milligramme de polonium pour une tonne d’uranium. La filiation de l’uranium-238 s’arrête au plomb-206 qui est stable, les activités de l’uranium-238 et de ses 13 descendants étant égales. C’est en observant que deux minéraux d’uranium, la pechblende et la chalcolite, étaient plus actifs que l’uranium lui-même, que Pierre et Marie Curie découvrirent le polonium et le radium malgré des teneurs infimes.
© IN2P3
En France, l’intensité est de 0,7 mGy par an en moyenne, mais peut atteindre 2,5 mGy par an dans les régions granitiques comme certains coins de Bretagne, où le granit est riche en éléments radioactifs. Ces chiffres restent très en dessous des niveaux de rayonnement observés sur certaines plages de sable noir, au Brésil, ou dans le sud de l’Inde, qui dépassent 50 mGy par an en raison de leur richesse en monazite, un minéral contenant près de 10% de thorium radioactif.
Au rayonnement tellurique s’ajoute la contribution du radon et de sa descendance radioactive. Le radon est le seul descendant de l’uranium et du thorium qui soit gazeux et qui soit à même de quitter les roches pour passer dans l’atmosphère. La période radioactive de 3,8 jours du radon de l’uranium (radon-222) lui donne le temps de le faire. La différence entre ce radon-222 et le radon du thorium (le thoron ou radon-220) est que ce dernier ne vit que 56 secondes. Cette période radioactive très brève donne très peu de temps au thoron pour sortir des roches.
Le radon constitue la principale source naturelle d’exposition à la radioactivité : environ 1 millisievert par an en moyenne en France. Le radon est produit lors de la désintégration du radium. Gazeux, il émane des roches et se disperse dans l’atmosphère. Gaz noble, il ne peut se fixer dans l’organisme. Par contre, ses descendants radioactifs le peuvent. L’exposition aux descendants du radon varie également beaucoup d’un endroit à l’autre. Les réglementations actuelles visent à s’en protéger, essentiellement par une bonne ventilation.
QCM SUR LA FILIATION RADIOACTIVE DE L’URANIUM
– QCM : descendance de l’uranium
– Solution du QCM
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