Les faibles doses de rayonnement - Radioactivité et repères naturels

par Jacques PRADEL, ancien Inspecteur générale du CEA, ancien Président du SFRP

La radioactivité est omniprésente dans notre environnement, et jusque dans notre propre corps. Nous allons tenter dans cet article de répondre à quelques-unes des questions les plus fréquemment posées sur les faibles doses de radioactivité d’origine humaine (ou liées aux comportements de l’homme) en les comparant aux radioactivités d’origine naturelle de niveau souvent comparables, voire supérieures. Bien que, sur un plan strictement scientifique, il faudrait disposer d’études épidémiologiques approfondies pour conclure de façon définitive, ces comparaisons nous amèneront à suggérer qu’il n’y a vraisemblablement aucun effet sur la santé lorsque les doses d’origine humaine sont inférieures aux variations courantes d’un point à un autre de la radioactivité naturelle.

1. D’où vient la radioactivité naturelle ?

La radioactivité naturelle est celle qui provient :

• Des radionucléides produits en même temps que la Terre il y a 4 milliards d’années (U, Th, ⁴⁰K…) et de leurs nombreux descendants aux durées de vie très diverses (le radium et le radon sont les plus connus). Cette radioactivité est dite d’origine « tellurique » ;
• Des rayons cosmiques (des protons ou autres noyaux d’atomes légers, des γ très énergétiques), qui sont eux-mêmes des rayonnements ionisants ;
• Des radionucléides produits en permanence par action de ces rayons cosmiques sur des atomes dans la stratosphère ou la haute atmosphère (¹⁴C, ³H…)⁽¹⁾.

La radioactivité se manifeste par 3 sortes de rayonnements, dits alpha, beta et gamma (α, β,γ ) :

• les α sont des noyaux d’hélium (2 protons, 2 neutrons),
• les β sont des électrons,
• les γ sont des photons, c’est-à-dire des rayonnements électromagnétiques de même nature que les rayons X, les UV, les radiations lumineuses, mais de plus forte énergie.

La radioactivité d’un corps se mesure en becquerels (1 Bq = une désintégration ou rayonnement alpha, beta ou gamma par seconde).

On conçoit que les différentes composantes de cette radioactivité dite "naturelle" soient fonction des teneurs des différents radioéléments dans les sols, des cycles biologiques, de l’altitude, et de multiples autres facteurs. La radioactivité naturelle varie donc considérablement d’un point à un autre, mais elle est omniprésente. En un endroit donné, elle peut également varier en fonction du temps : c’est le cas notamment pour la radioactivité due au radon.

On a indiqué en annexe quelques exemples de radioactivité naturelle rencontrée couramment dans notre environnement (constituants de nos habitations, engrais, aliments etc.). Le corps humain lui-même est naturellement radioactif.

2. Les doses dues à la radioactivité naturelle

Les doses dues à la radioactivité s’expriment en Sievert (Sv) ou en milliSievert (mSv)

Comme toute radioactivité, la radioactivité naturelle contribue aux doses reçues par l’homme, pour autant qu’elle l’atteigne, soit par action directe (rayonnements cosmiques, radioactivité émanant du sol) soit à la suite de l’ingestion ou d’inhalation de radionucléides. Une radioactivité qui n’atteint pas l’homme par une de ces voies ne donne aucune dose et n’a aucun effet sur lui.

Les doses dépendent de l’efficacité biologique du rayonnement ionisant. Pour une même énergie déposée dans le corps par un rayonnement, l’efficacité biologique est en général de 1 (rayonnements beta et gamma) , mais elle est de 20 lorsque le rayonnement est dit alpha (cas du radon par exemple). Les doses dépendent aussi de la possibilité pour l’un ou l’autre des radioéléments de se concentrer plus ou moins dans tel ou tel organe.

Les doses reçues par l’homme se mesurent en Sievert (Sv). Cette unité est bien adaptée aux fortes irradiations, telles que celles délivrées en radiothérapie ou celles reçues par les pompiers qui ont effectué la première intervention à Tchernobyl. Pour les irradiations d’origine naturelle, on lui préférera une unité 1000 fois plus faible, le mSv, beaucoup mieux adaptée.

Répétons-le, Sv et mSv ne mesurent pas la radioactivité mais uniquement les doses reçues par l’homme. En l’absence d’irradiation humaine, l’utilisation de ces unités n’a aucune signification.

Compte tenu des fortes variations de la radioactivité naturelle dans le temps et dans l’espace, nous ne donnerons dans ce qui suit que des ordres de grandeur.

2.1. Quels sont les niveaux des différentes doses de radioactivité naturelle ?

• Le corps humain contient plusieurs radionucléides, les plus importants étant ¹⁴C et ⁴⁰K, dont la radioactivité conduit à une dose de 0,25 mSv/an. Cette valeur, pratiquement constante pour tous les individus, homme, femme ou enfant, partout dans le monde, est proposée par Georges Charpak comme unité de référence pour les doses de radioactivité. G. Charpak propose de l’appeler le DARI, "Dose Annuelle due aux Radiations Internes".
   
• Les rayons cosmiques contribuent à une dose qui dépend de la protection assurée par notre atmosphère. Au niveau de la mer et sous nos latitudes, la dose est voisine de 0,3 mSv/an. A une altitude de 1500 m (la plupart des stations de sport d’hiver, ou encore Denver), elle est une fois et demi plus élevée, et à Mexico elle dépasse 0,8 mSv / an.
   
• Le rayonnement direct, hors radon, dû aux éléments radioactifs présents dans le sol, est en moyenne en France voisin de 0,4 mSv/an mais peut varier fortement d’une région à une autre (0,2 à 4 mSv/an) en fonction de la nature des sols (les sols granitiques étant plus radioactifs que les sols sédimentaires, par exemple), et atteindre des valeurs beaucoup plus fortes dans de nombreuses régions du monde. Par exemple, au Kerala, en Inde, où est exposée une très importante population, le rayonnement direct tellurique varie de 2 à 40 mSv/an, du fait de la présence de quantités importantes de thorium dans le sol.
   
• Le radon est un radionucléide gazeux produit dans le sol par désintégration radioactive du radium (²²⁶Ra), lui-même provenant de l’uranium (²³⁸U). Le radon a lui-même des descendants radioactifs, tels que le polonium (²¹⁰Po). Ce ²¹⁰Po et ses descendants sont des éléments solides qui se déposent partout, sur le sol mais également sur les poussières que nous respirons et dans les poumons où ils se fixent. Cc sont des émetteurs alpha. Les doses sont directement proportionnelles à la concentration en radon et ses descendants de l’air que l’homme respire, concentration qui varie énormément d’un lieu à un autre (en fonction de la teneur du sol en uranium et en radium), du degré de ventilation (vent, galerie souterraine, maison plus ou moins isolée, …), et également, en un lieu donné, des variations de la pression atmosphérique. Pour une concentration moyenne en France et une exposition permanente, la dose est de 1 mSv/an ; mais elle peut atteindre assez fréquemment 10 fois plus dans des maisons bien isolées, et même 20 fois plus dans des maisons anciennes (notamment dans les endroits mal ventilés, tels que les caves).

Les niveaux de doses dus à la radioactivité naturelle dans le monde et en France

	Monde (mSv/an)	France (mSv/an)
Radioactivité "interne"	0,25	0,25
Rayonnement cosmique	0,3 à 0,8	0,3 à 0,5
Rayonnement du sol	0,1 à 1000	0,1 à 10
Radon	1 à 100	1 à 50
Moyenne	2,7	2

Au total l’exposition moyenne en France est voisine de 2 mSv/an, mais elle peut atteindre des valeurs nettement supérieures localement (5 à 10 fois plus). Dans certaines régions du monde, on observe jusqu’à 100 fois plus (200 mSv/an).

2.2 A-t-on décelé un effet sur la santé dû à la radioactivité naturelle ?

Non. Différentes voies ont été explorées, en particulier les études épidémiologiques visant à comparer des populations soumises à des expositions aux rayonnements ionisants suffisamment différentes. et les études fondamentales portant sur les mécanismes de l’action des rayonnements sur le vivant.

Les études épidémiologiques doivent porter sur un très grand nombre d’individus (des centaines de milliers, voire des millions) car les effets à mesurer, s’ils existent, sont très faibles. Elles doivent en outre s’assurer qu’il n’existe pas de biais provenant d’autres facteurs (habitudes alimentaires, hygiène de vie…). De telles études ont été menées en France et à l’étranger sur les effets du radon (cancers du poumon ), en Inde et en Chine sur les effets du rayonnement terrestre, en Chine sur les effets du rayonnement cosmique (leucémies)⁽²⁾ :

• Les études portant sur les cancers du poumon, entre les régions de faible et de forte exposition au radon, n’ont montré aucun effet. Par contre, la plupart d’entre elles ont confirmé le rôle essentiel du tabac dans le cancer du poumon.
• Des études récentes portant sur des populations chinoises et indiennes très importantes, soumises à des niveaux de radioactivité naturelle allant de 1 à 3, ont mis en évidence l’absence d’effet nocif lié aux rayonnements ionisants, dans cette gamme de d    ose.

Les études fondamentales sont une voie prometteuse, mais qui n’a pas encore abouti aujourd’hui (cf. "Théories actuelles et voies de recherche sur l’action des faibles doses").

3. Des actions de l’homme modifient-elles l’irradiation par des sources naturelles ?

Oui, de nombreuses activités humaines modifient la répartition de la radioactivité naturelle ou l’exposition de l’homme à la radioactivité naturelle. Nous ne donnons ici que quelques exemples parmi les plus significatifs.

La plus notable est probablement de vivre dans des espaces fermés plutôt qu’en plein air ! Le radon, en provenance du sol, s’y concentre, d’autant plus que les espaces sont peu ventilés. Les matériaux de construction eux-mêmes (plâtre, ciment), sont riches en ⁴⁰K et ²²⁶Ra et augmentent encore les doses reçues et les concentrations en radon à l’intérieur des bâtiments.

Le charbon contient du ⁴⁰K , de l’uranium et du thorium, et sa combustion les concentre d’un facteur 10 dans les cendres ; une partie de cette radioactivité naturelle est également rejetée dans les fumées et contribue à augmenter légèrement l’exposition de l’homme (du même ordre de grandeur que les rejets des centrales nucléaires).

L’enrichissement de l’uranium laisse de l’uranium appauvri (essentiellement ²³⁸U) débarrassé, pour un temps, des produits de filiation de ²³⁸U, notamment du radium. Pendant plusieurs milliers d’années, le temps de reconstituer le "stock" de radium, cet uranium appauvri émettra donc moins de radon que l’uranium naturel dont il est issu.

Les engrais phosphatés contiennent des quantités importantes de 40K et, surtout, de ²²⁶Ra. Ils représentent la principale source mondiale d’irradiation par ce dernier .

Le fait de prendre l’avion pour aller de Paris à New York augmente fortement le débit de dose de rayonnement cosmique subi par un passager, du fait de la très forte diminution de la protection assurée, sur terre, par l’atmosphère. Pour un équipage effectuant ce trajet régulièrement, la dose supplémentaire reçue en l’air en un an peut être du même ordre que la radioactivité naturelle annuelle qu’il reçoit par ailleurs. Pour un cosmonaute en orbite autour de la terre, la dose reçue en un jour est proche de la dose naturelle annuelle au sol.

4. Peut-on comparer une radioactivité artificielle à la radioactivité naturelle ?

Oui, car les effets sur l’homme sont de même nature (cf."Rayonnements et médecine") et se mesurent avec la même unité (mSv/an ou DARI = 0,25 mSv/an).

Le plus simple est de le faire globalement ; nous le faisons ici en DARI :

• Les doses dues aux rejets des centrales au charbon, ceux des centrales nucléaires, les engrais phosphatés, au fait de vivre plus ou moins haut dans un immeuble sont de l’ordre de 0,01 DARI
• Les doses sur les individus concernés dues aux rejets de l’usine de La Hague, à un vol Paris - New York, à un mois aux sports d’hiver, sont de l’ordre de 0,1 DARI
• Il est recommandé par la Commission Internationale de Protection contre les Rayonnements ionisants (CIPR) que la population ne reçoive pas plus de 4 DARI (1 mSv) du fait des activités de l’homme, hors applications médicales.
• Les équipages des avions de ligne reçoivent une irradiation de quelques DARI, voire quelques dizaines de DARI quand ils assurent en permanence les vols polaires.
• La dose maximale admise pour les travailleurs soumis aux rayonnements est de 80 DARI (20 mSv).

On peut faire des comparaisons plus spécifiques, portant sur tel ou tel "repère" naturel. Certaines comparaisons à des repères naturels révèlent ainsi des faits surprenants. Nous empruntons les exemples suivants à J. Pradel et al. [1]

• Les fruits et légumes sont très riches en potassium. Il en résulte que l’apport quotidien en ⁴⁰K est trois fois plus élevé pour un régime végétarien que pour un régime "normal". Au demeurant, cet apport plus élevé n’a guère d’importance, car l’organisme régule la quantité de potassium dont la quantité dans le corps est sensiblement constante. Cet exemple est intéressant, car il montre qu’il faut manier les chiffres avec précaution !
• Les retombées de ¹³⁷Cs en provenance de Tchernobyl ont été en moyenne en France de l’ordre de 4000 Bq/m², et ont pu atteindre localement, dans certaines régions de l’Est de la France, 40 000 Bq/m². Pour des personnes se nourrissant exclusivement des produits des régions les plus touchées, la dose annuelle aurait été de l’ordre de 1 mSv (la moyenne nationale étant de l’ordre de 0,1 mSv). On peut constater que les doses en France dues aux retombées de Tchernobyl sont comprises entre 0,4 et 4 DARI, ou encore sont comparables à celles d’une radiographie médicale.
• Le ²¹⁰Po est un descendant à vie longue du radon. C’est un solide qui se dépose uniformément sur le sol, qui passe facilement dans la chaîne alimentaire, se fixe dans l’organisme, et est un émetteur ?. L’ensemble de ces facteurs fait que, pour une même radioactivité déposée sur le sol, la dose due au ²¹⁰Po est très supérieure à celle due au ¹³⁷Cs (ce dernier venant des retombées des essais atmosphériques de bombes atomiques des années 50-60, et des retombées de Tchernobyl). Or la radioactivité de ²¹⁰Po déposé est du même ordre de grandeur par m² que celle due aux retombées de Tchernobyl en France : autrement dit, les doses dues au ²¹⁰Po "naturel" sont largement supérieures à celles dues au Césium déposé en France à la suite de Tchernobyl. Mais la mesure de la radioactivité du ²¹⁰Po est beaucoup plus difficile que celle du ¹³⁷Cs, ce qui explique peut-être pourquoi elle n’est généralement pas effectuée(3).
• Le même ²¹⁰Po est également potentiellement beaucoup plus radiotoxique que du plutonium pour une même radioactivité déposée sur le sol, parce qu’il passe beaucoup plus facilement dans la chaîne alimentaire, se fixe mieux dans l’organisme et a une période beaucoup plus courte. Il en résulte que les doses dues au Polonium déposé naturellement sur 1 km² sont équivalentes aux doses que provoquerait 1 kg de Plutonium déposé et dispersé sur le sol !

En conclusion, la radioactivité naturelle varie très fortement d’un endroit à l’autre. Malgré ces très fortes variations, aucune étude épidémiologique sérieuse n’a mis en évidence, à ce jour, d’effet sur la santé, même pour les valeurs les plus élevées. N’est-on pas en droit de penser, dans ces conditions, que des irradiations d’origine humaine qui sont du même ordre que les variations de la radioactivité naturelle, et souvent inférieures, n’ont aucun impact sur la santé ?

ANNEXE - Radioactivité naturelle de quelques produits courants (Bq/kg). (source :UNSCEAR)

	U	Th	Ra	K
Engrais phosphatés	500 à 1000		10 à 500	50 à 5000
Briques Plâtre		10 à 100 6 à 60	10 à 100 10 à 1000	600 à 1000 20 à 70
Charbon Cendres	10 à 30 50 à 200	10 à 30 10 à 100	3 à 30 50 à 200	30 à 250 300 à 1000
Lait Pommes de terre Blé Viande Légumes verts Fruits frais			0,08 0,02 0,03	50 à 80 150 140 80 100 40 à 90

BIBLIOGRAPHIE

[1] J. Pradel, N. Dellero, DE. Beutier - La radioactivité naturelle : une source de repères (Groupe de Recherche en Radiotoxicologie , bulletin n° 7, octobre 2002) ;

[2] H. Métivier - Les sources naturelles d’irradiation… (C.R. Physique 3 (2002) 1035 -1048 ;

[3] Plaquettes de la Société Française de Radioprotection.

(1) Et aussi sur le sol : du plutonium "naturel" est ainsi produit en permanence, en quantités infinitésimales, par bombardement de l’uranium présent par des rayons cosmiques.

(2) Les populations de l’Inde et de la Chine sont particulièrement intéressantes pour des études épidémiologiques portant sur l’exposition à la radioactivité naturelle, car il s’agit en général d’un très grand nombre de personnes ayant généralement séjourné longtemps dans la même région.

(3) La radioactivité alpha est arrêtée par une simple feuille de papier, et pour la mesurer, il faut séparer et isoler le corps radioactif, ce qui demande beaucoup d’efforts et de précautions si l’on veut obtenir des résultats fiables ; au contraire, la radioactivité gamma se mesure avec un simple compteur Geiger, ce qui est à la portée de tous.