Chronique 7 : Les minéraux et les sables radioactifs

Un article de P. Thiran

 

Préambule

Les explications concernant la radioactivité ont été volontairement simplifiées et certaines valeurs comme celles relatives aux normes sont susceptibles d’être modifiées. Actuellement, la physique quantique intervient dans les explications de ce phénomène.

Certains minéraux et quelques sables sont dits radioactifs, parce qu’ils possèdent la propriété physique appelée Radioactivité. Sommairement, celle-ci consiste en la transformation ou la désintégration spontanée de certains atomes avec émissions de rayonnements spécifiques et énergétiques. On parle alors de radioactivité naturelle, la radioactivité artificielle étant due à l’intervention de l’homme. Dans la suite, il ne sera question que de la première. Bien que ce phénomène existe depuis la naissance de l’univers et est la source principale de la chaleur interne de notre planète, elle ne fut mise en évidence qu’à la fin du 19° et au début du 20° siècle.

La découverte de la radioactivité

C’est d’abord, le physicien français Henri Becquerel qui découvrit que des sels d’uranium émettaient des radiations inexplicables. Ensuite, Pierre et Marie Curie mirent en évidence l’origine atomique du phénomène. Sa compréhension plus précise fut apportée par le physicien néo-zélandais Ernest Rutherford lequel souligna le rôle du noyau de l’atome et qualifia les rayonnements émis. Ce sont ces derniers qui nous concernent directement, vu leur impact biologique. Pour leur compréhension, il est nécessaire de se référer à la structure de l’atome et à la composition du noyau, lesquelles sont expliquées sommairement dans la note 1.

Le noyau atomique d’un élément radioactif

Dans la plupart des noyaux atomiques, le nombre de neutrons est égal à celui des protons ; de tels noyaux sont dits stables. Toutefois, pour certains noyaux, ce nombre excède celui des protons, ce qui crée une instabilité au sein de celui-ci, en particulier pour ceux de l’uranium et du thorium, source principale des radioéléments naturels. La transformation ou désintégration d’un de ces noyaux se produit spontanément et statistiquement à tout moment. Elle se poursuit en cascade jusqu’à l’obtention d’un noyau stable. Un exemple est donné dans la note 2.

Les trois types de rayonnements émis

• alpha : consiste en l’expulsion du noyau de deux protons et deux neutrons, soit un noyau d’Hélium (deuxième élément atomique),
• bêta : est caractérisée par l’expulsion d’un électron suite à une mutation d’un neutron en proton,
• gamma : est une émission d’ondes électromagnétiques de fréquence et d’intensité supérieures aux rayons X.

Ces rayonnements sont émis à grande vitesse et sont dotés d’énergie. Leur pouvoir de pénétration est propre à chacun de ceux-ci :

• l’alpha ne pénètre que dans quelques cm d’air et est stoppé par du papier bristol blanc,
• le bêta pénètre plus profondément, soit quelques m d’air, et est stoppé par quelques mm d’aluminium,
• le gamma est le plus pénétrant et n’est stoppé que par une épaisseur minimum de 5 cm de plomb.

La durée de vie d’un élément radioactif

Une autre caractéristique importante de la radioactivité est le temps durant lequel un radioélément reste dangereux.

Celui-ci est mesuré par la demi-vie qui exprime le temps moyen au bout duquel la moitié des noyaux d’un radioélément sont transformés ou désintégrés, ce qui signifie que sa radioactivité décroit progressivement. Ce temps est une constante pour un radioélément donné ; il varie de quelques secondes à des millions d’années.

En résumé, l’activité radioactive d’une source est caractérisée par :

• la nature du rayonnement émis,
• son énergie,
• sa durée de vie,
• son intensité, soit le nombre de désintégrations par seconde.

En outre, l’intensité est aussi fonction de la distance par rapport à la source radioactive. Elle décroit en fonction du carré de celle-ci. Ainsi en s’écartant de 3 m, l’intensité est divisée par 9.

La mesure de l’impact radioactif

Tout ce qui précède n’a pour but que de comprendre comment arriver à mesurer l’impact d’une source radioactive sur le corps humain et d’indiquer les précautions à prendre pour s’en protéger, en particulier par ceux qui s’intéressent aux minéraux et sables radioactifs. Pour la mesure de cet impact, deux paramètres sont pris en considération : l’intensité et la dose. La dose est la quantité d’énergie absorbée par unité de masse, soit la dose absorbée.

Pour les tissus vivants, l’effet biologique est aussi fonction du type de rayonnement. Pour en tenir compte, on a introduit la notion de la dose équivalente, baptisée dose efficace, laquelle est utilisée pour définir les niveaux de radioactivité et les normes. Elle s’exprime en sievert, le nom de son inventeur, (en pratique en milli ou micro-sievert) tandis que l’intensité est mesurée par le Becquerel, (en pratique par ses multiples). L’appareil de mesure le plus couramment utilisé est le compteur Geiger.

L’appareil compteur Geiger

Celui de la photo permet le comptage des désintégrations, la mesure des doses efficaces, et la différentiation de ces mesures par type de rayonnement. Il est étalonné en coups/sec pour l’intensité et en micro-sievert/heure pour les doses reçues par le corps humain c’est à dire la mesure de la dose efficace. Les doses qui nous atteignent sont de l’ordre de quelques milli-sievert par an. Elles sont la somme de la radioactivité qui nous entoure, laquelle varie selon les régions de 1 à 4 mSv/an (dose naturelle) et est essentiellement due au radon (voir note 3), et de celle liée à l’activité humaine laquelle est principalement due aux examens médicaux, qui représente en moyenne 2 mSv/an. Pour les individus, la norme est généralement de 5 mSv/an plus la dose naturelle, tandis que pour les professionnels, la norme fixe une limite horaire de 10 micro-sievert et annuelle de 20 milli-sievert. A noter qu’une dose ne devient source de troubles dans le corps humain qu’à partir d’une valeur de 1 Sv.

La radioactivité des minéraux et sables

La radioactivité des minéraux et sables est intimement liée à la présence d’uranium (U) et/ou de thorium (Th). Ces deux éléments sont présents de manière diffuse dans la croûte terrestre (de l’ordre de 3 g/t pour le premier et 12 g/t pour le second). Ils se retrouvent dans tous les types de roches. Les minéraux radioactifs sont soit des composés chimiques de l’U et/ou du Th, soit des minéraux incluant un ou des radioéléments. La plupart sont de couleurs vives, de taille centimétrique ou millimétrique ; certains sont fluorescents.

Les uranifères

Les composés de l’uranium, appelés les uranifères, sont les plus nombreux. Ceci est dû à sa facilité de combinaison chimique avec l’oxygène, le carbone, le soufre, la silice, le phosphore, le vanadium…. Selon Mindat, il y aurait actuellement 281 minéraux uranifères considérés comme validés par l’I.M.A. (International Minéral Association).

Parmi ceux-ci, figurent des minéraux comme :

• oxydes et hydroxydes : l’uraninite, le plus riche en U et de couleur noir, la becquerelite, la masuite, la schoepite, …
• phosphates : l’autunite (fluorescente) et la torbernite, fréquemment rencontrés en France, …
• vanadates : la carnotite, …
• silicates : les cuprosklodowskite, kasolite, soddyite, urophane, …

Le thorium

Bien que le thorium soit présent dans de nombreuses roches et a une concentration plus élevée dans la croûte terrestre que l’uranium, les minéraux à base de thorium sont beaucoup moins nombreux : 25 seraient considérés comme validés par l’I M A.

Parmi ceux-ci :

• oxydes : la thorianite,
• phosphates : la monazite, source principale,
• silicates : la thorite.

 Les photos ci-dessous illustrent certains de ces minéraux.

 

 

L’uranium et le thorium se substituent aussi à des atomes de minéraux et rendent ces derniers radioactifs. Ainsi, dans le zircon (silicate de zirconium), certains atomes sont remplacés par celui d’uranium. Ceci explique le niveau relativement élevé de la radioactivité des granites en Bretagne, par exemple. Ces minéraux proviennent essentiellement de sites miniers fermés ou en exploitation.

Les sites miniers radioactifs

Parmi les sites qui ne sont plus exploités, deux sont célèbres :

• Jachymov en Tchéquie, qui permit la découverte du radium par les Curie au départ de la pechblende,
• Shinkolobwe en RDC, la plus riche mine d’U au monde avec l’uraninite comme minerai primaire, fut la source principale d’U pour les premières applications civiles et militaires de l’énergie nucléaire.

La France puisa son combustible nucléaire dans de multiples petits gisements situés dans le Massif Central, le massif Armoricain et les Vosges. Leurs installations d’exploitation ont été démantelées. Actuellement, c’est le Kazakhstan qui est le producteur principal. Il est suivi par le Canada, l’Australie et la Namibie. L’ensemble de ces producteurs représente environ 80% de la production mondiale dont environ 40% pour le Kazakhstan.

 

La radioactivité de certains sables

En ce qui concerne la radioactivité de certains sables, elle provient de l’érosion des roches contenant des minéraux radioactifs, de résidus d’exploitations minières, de contaminations des sols et des eaux suite à un accident nucléaire. Dans les plages des bords de mer, de lac et dans les rivières, on trouvera des grains de zircon, de monazite, de thorianite,… tandis que dans les stériles miniers, ce sera de la torbernite, de l’autunite (facilement détectable car elle est fluorescente), de l’urophane … Les plages reconnues sont celles Guarapari au Brésil, de Amritapuri dans le Kérala en Inde, de l’Espiguette dans les bouches du Rhône en France. Les sources thermales de Ramsar en Iran sont aussi reconnues comme ayant une radioactivité élevée.

Les deux images ci-dessous illustrent deux sables provenant de stériles miniers.

 

 

En conclusion

Il est faisable de s’intéresser aux minéraux et sables supposés radioactifs en tenant compte des facteurs suivants :

• la diminution de l’intensité des rayonnements par la distance et par l’interposition d’écrans,
• la durée de l’exposition, après avoir mesuré la dose efficace reçue par unité de temps, (micro-sievert par heure),
• l’aération du stockage.

Et pour autant que l’on ait la possibilité de mesurer la radioactivité résiduelle, après avoir pris les mesures de protection.

 

Notes

Note 1. Tel que suggéré par des philosophes grecs 450 ans avant notre ère, l’atome était encore au début du XX° siècle considéré comme le plus petit élément de la matière. Le physicien danois Niels Bohr proposa le premier une structure de l’atome, dans laquelle, autour du noyau, gravitent des électrons sur différentes orbites. Le noyau lui-même est un agrégat de deux petites particules : le proton et le neutron et est chargé positivement. Les électrons étant chargés négativement, l’atome est électriquement stable. 92 atomes naturels ont été recensés et classifiés par le physicien russe Mendeleev dans son célèbre tableau. Le premier est l’hydrogène, suivi de l’hélium, et le 92° est l’uranium précédé du thorium (90°).

Note 2.  Ainsi, pour l’uranium, ce n’est qu’au bout d’une cascade de 14 désintégrations qu’est obtenu un noyau stable, celui du plomb. Le radium et le radon, deux éléments importants le premier médicalement, le second par sa nature gazeuse, sont produits dans cette cascade.

Note 3.  La nature gazeuse du radon le rend particulièrement dangereux. Inhalé, il attaque les poumons avec les particules alphas qu’il émet en se désagrégeant. Comme il émane spontanément du sol, il est donc essentiel d’éviter sa concentration, notamment dans les caves. D’où la nécessité d’aération de celle-ci.

Sources bibliographiques

• Physique Nucléaire, extrait du cours de Physique de 6° Secondaire,  Y. Verbist, L. Nachtergaele et E. Thiran,  2018,
• Articles sur la radioactivité, extraits de bulletins du GEST, Robert Six, 2009 à 2015,
• Minéraux uranifères, hors-série 2009 de la revue Minéraux et Fossiles,
• Data base de Mindat, site web <www.mindat.org>, novembre 2021,
• List of Minerals recognized by I.M.A., site web <www.ima-mineralogy.org>, novembre 2021,

 

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La minéralogie comme la volcanologie sont des sciences qui évoluent avec le temps au fur et à mesure de l’avancée de la recherche et des connaissances. Ce qui est vrai à un instant T peut être remis en cause le lendemain. Philippe Thiran, l’auteur de ce post, se tient à disposition de ceux qui voudraient échanger à propos des notions géologiques présentées. Vous pouvez nous contacter pour avoir ses coordonnées personnelles.