Une histoire de tritium : à quel point devriez-vous avoir peur du grand frère de l’hydrogène ?

Bien qu’il soit présent dans tout ce qui contient de l’eau, le tritium n’est pas un isotope que beaucoup de gens connaissaient en dehors des canaux sélectionnés (geek), tels que DEF CON avec un badge contenant du tritium, l’assemblage toujours excellent de NurdRage d’un système à base de tritium batterie atomique, ou la création d’un cube de tesseract phosphorescent à base de tritium.

Le tritium est un isotope de l’hydrogène qui partage de nombreuses caractéristiques avec ses deux frères et sœurs : 1H (protium) et 2H (deutérium), la principale distinction étant que le tritium (3H) n’est pas un isotope stable, avec une demi-vie d’environ 12,32 ans qui le voit se désintégrer en 3Il. La plupart du tritium naturel sur Terre provient des interactions entre les neutrons rapides (> 4,0 MeV) du rayonnement cosmique et l’azote atmosphérique.

Récemment, le tritium est devenu un sujet politiquement brûlant en raison du rejet annoncé d’eau traitée à la centrale nucléaire japonaise de Fukushima Daiichi. Cela a soulevé pour beaucoup la question de savoir quelle quantité de tritium est « trop » et ce que nous sommes susceptibles de remarquer de cette eau traitée – mais contenant toujours du tritium – étant rejetée dans l’océan.

Sur Becquerels et dose équivalente

Le modèle LNT par rapport à d'autres modèles et mesures.
Le modèle LNT par rapport à d’autres modèles et mesures. (Source : CCSN)

Lors de l’évaluation du risque d’exposition à la radioactivité, le modèle linéaire sans seuil (LNT) est le plus couramment utilisé. Ce modèle prétend essentiellement qu’il existe une correspondance parfaitement linéaire entre l’exposition aux rayonnements et le risque de développer un cancer et d’autres effets secondaires négatifs qui pourraient être causés par ladite exposition.

Comme l’ont montré plusieurs études récentes, la réalité n’est pas si simple. Entre les effets variables de différents types de rayonnement sur différentes parties du corps et le rôle de la capacité du corps à réparer les dommages causés aux cellules, la réalité est que nous voyons un effet beaucoup plus proche de celui de ce que l’on appelle souvent l’hormèse du rayonnement. C’est la théorie selon laquelle, à faibles doses, les radiations peuvent même être bénéfiques.

Aussi farfelu que cela puisse paraître, des études telles que Bannister et al. (2016) et Khan et al. (2021), sur des modèles murins, n’ont montré aucune cytotoxicité ou génotoxicité dans la rate après exposition au rayonnement bêta du tritium (Bannister et al.), ou ont constaté que le système immunitaire avait été régulé à la hausse après exposition à un rayonnement à faible dose (LDR, Khan et Al.). Comme l’ont noté Khan et al., les preuves actuelles dans la littérature indiquent que le LDR a une influence positive sur le système immunitaire du corps, ce qui pourrait avoir des effets significatifs sur notre compréhension des traitements contre le cancer, par exemple.

Ce type d’études nous donne également une idée de la peur que nous devrions avoir, par exemple, les radiations dans le vin, comme l’ont étudié Tonev et al. (2018). Ici les niveaux de 137Cs, 40K et 3H sont utilisés pour essayer de déterminer l’âge du vin, pour aider à identifier les vins qui sont présentés comme un millésime beaucoup plus ancien. Leurs conclusions pour les vins Melnik (Bulgarie) d’un millésime 2001 ont été 137Des niveaux de Cs inférieurs à 0,15 Bq/L contre 44,6 Bq/L en 1986 en raison des retombées du réacteur nucléaire n°4 de la centrale de Tchernobyl.

Pendant ce temps, 3Les niveaux de H ont fluctué entre environ 7 à 63 Bq/L et le potassium naturel-40 (40K) entre 15 et 20 Bq/L sur cette même durée. On peut comparer cela au naturel 3Niveaux de H dans l’atmosphère et les eaux de surface en utilisant les informations fournies par la Commission canadienne de sûreté nucléaire (CCSN) dans le cadre de ses études sur le tritium. Le niveau attendu de tritium dans l’eau de pluie est d’environ 0,6 Bq/L, tandis que les eaux de surface varient de 0,37 à 1,11 Bq/L.

Les essais d’armes nucléaires dans l’atmosphère ont élevé les niveaux de tritium dans l’environnement entre 1945 et 1976, avec une estimation de 1,7 x 1020 Bq tritium produit. Ce tritium aurait progressivement fait son chemin hors de l’atmosphère d’une manière similaire au tritium naturel (rayons cosmiques) et se serait retrouvé dans les eaux de surface et de là dans les organismes et les eaux souterraines.

Sur le site de Fukushima Daiichi, environ 860 TBq (0,86 x 1015 Bq) de tritium sont stockés, dilués dans plusieurs litres d’eau. Le tritium lui-même fait partie de l’eau dite tritiée (HTO, T2O, ou eau super-lourde), qui est chimiquement pratiquement indiscernable de H2O et D2O (eau lourde contenant du deutérium), c’est pourquoi il n’est pas facilement séparé du H2O. Les réacteurs CANDU canadiens à eau lourde (REC) en fonctionnement normal rejettent environ 430 TBq par an, tandis qu’un REP comme le Westinghouse AP1000 rejette environ 20 TBq/an et un REB environ 1 TBq/an.

Étant donné que l’eau tritiée de Fukushima Daiichi sera libérée progressivement et fortement diluée avec de l’eau de mer au fil des années, cela devrait montrer que les quantités libérées sont insignifiantes par rapport à celles libérées par les seules centrales nucléaires actives dans le monde. Alors, pas de quoi s’inquiéter ?

Les océans sont grands

Un scientifique du PNNL brandit du yellowcake récupéré dans l'eau de mer.
Scientifique du PNNL brandissant une fiole contenant 5 grammes de yellowcake récupéré de l’eau de mer. (Source : PNNL)

Avec environ les trois quarts de la surface de la Terre recouverts d’eau, il y a beaucoup d’eau dans laquelle diluer quelque chose comme de l’eau tritiée, ainsi que par exemple de l’uranium, le PNNL rapportant avoir récupéré 5 grammes de yellowcake (uranium) de l’eau de mer en 2018. Il On estime qu’il y a au moins quatre milliards de tonnes d’uranium dans l’eau de mer, diluée à environ 3 parties par milliard, dont la récupération pourrait à un moment donné devenir économique.

En ce qui concerne par exemple l’eau potable, nous en sommes venus à accepter qu’il y aura toujours une certaine quantité de métaux lourds, de minéraux ainsi que d’isotopes radioactifs (par exemple, le radon, l’uranium et le tritium). C’est pourquoi les pays ont fixé des limites sur les quantités jugées acceptables dans l’eau potable. Pour l’eau tritiée, cela varie fortement, l’Australie acceptant plus de 76 000 Bq/L, tandis que la Finlande vise 100 Bq/L, soit environ cinq litres de vin Melnik d’une valeur de 40Équivalent K.

Un point intéressant à noter ici est que le potassium-40 se comporte comme ses formes stables de potassium en ce qui concerne son rôle biologique. En conséquence, un corps humain adulte pesant 70 kg contiendra environ 140 grammes de potassium. Avec 40K se produisant naturellement à un taux de 0,0117%, cela signifie environ 0,0164 gramme d’isotope et environ 4 300 Bq de désintégrations bêta par seconde.

Depuis 3Main 40K sont tous deux des émetteurs bêta, mais seul le potassium se bioaccumule de manière significative, ce qui rendrait théoriquement la consommation d’une banane plus risquée que de boire de l’eau tritiée, même à des niveaux relativement élevés de HTO. Sans surprise, au niveau recommandé par l’OMS de 0,01 MBq/L dans l’eau potable, Guéguen et al. (2018) n’ont signalé aucun effet physiologique notable sur les tissus dans les modèles murins.

La baisse est toujours possible

Modèle simplifié des flux de tritium dans un système HTR couplé à un SG
Figure 1 : Modèle simplifié des flux de tritium dans un système HTR couplé à un SG. (Crédit : Fütterer et al. 2016)

La production de tritium n’est pas un objectif dans les réacteurs nucléaires, mais se produit comme un effet secondaire, les réacteurs à eau sous pression (REP) utilisant de l’acide borique comme poison neutronique dans leur boucle primaire pour aider à modérer la réaction nucléaire en chaîne. Bore-10 (dixB) peut parfois capturer un neutron et produire 4Lui et 3H. De même, dans les réacteurs à eau lourde (REH) comme le CANDU, le deutérium captera également les neutrons et se transformera en tritium.

La plupart du tritium produit dans la boucle primaire du réacteur y reste et est à un moment donné retiré et utilisé pour des applications commerciales et autres. Puisque le tritium est un isotope de l’hydrogène, il possède également cette autre caractéristique étonnante de l’hydrogène : la capacité d’ignorer les tentatives de le contenir. Tout comme la façon dont contenant 1H est un problème dû à la perméation d’hydrogène, de même que les réacteurs nucléaires ont le problème de contenir le tritium à l’intérieur de la boucle primaire. Fütterer et al. (2016) couvrent cette question en détail pour les futurs réacteurs à haute température de génération IV, qui utilisent de l’hélium comme fluide caloporteur.

Généralement, le point où une partie du tritium pénètre dans la boucle secondaire se fait via l’échangeur de chaleur. Ce sont des appareils où l’efficacité du transfert de chaleur est importante, ce qui signifie des parois minces (alliage de nickel). Bien qu’ils résistent à la fragilisation due à la diffusion de l’hydrogène, ces échangeurs de chaleur laissent passer un peu d’hydrogène, ce qui finit par se retrouver dans les turbines et dans l’eau de refroidissement qui est soit rejetée dans un plan d’eau voisin, soit dans l’atmosphère dans un tour de refroidissement.

Étant donné que les HWR et les REP génèrent une bonne quantité de tritium en fonctionnement normal dans leur boucle primaire, cela signifie que relativement plus d’hydrogène (donc de tritium) s’infiltrera dans la boucle secondaire. De nouveaux alliages pour l’échangeur de chaleur peuvent réduire la quantité de tritium pénétré dans la boucle secondaire, ou des mécanismes de capture plus efficaces peuvent permettre de filtrer même les faibles quantités de tritium dans la boucle secondaire.

Tout cela sera également important avec les futurs réacteurs de fusion nucléaire, qui utiliseront généralement un mélange combustible deutérium-tritium (DT), ainsi qu’avec l’utilisation accrue de l’hydrogène dans les applications industrielles et autres. Contenir les isotopes de l’hydrogène est essentiel, qu’il s’agisse simplement d’un déchet comme dans les réacteurs à fission, d’un ingrédient de procédés industriels, d’un combustible ou d’un vecteur énergétique.

Un monde radioactif

La partie peut-être la plus nocive du modèle LNT est qu’il crée l’illusion qu’un monde sans rayonnement est en quelque sorte possible, ou du moins hautement souhaitable. C’est là que les déclarations dans les médias sur « la valeur en TBq du tritium » sans autre contexte et un vide distinct lorsqu’il s’agit d’interviewer par exemple des physiciens et d’autres experts dans le domaine (comme ceux de l’AIEA) sont tout sauf utiles.

Bien que le rejet de tritium par les centrales nucléaires et d’autres sources artificielles (comme les piles à base de tritium et les panneaux auto-éclairants mis au rebut) soit indésirable et nécessite des recherches sur les moyens de limiter davantage son impact, ce n’est pas un problème important. Nous vivons, après tout, sur une planète elle-même radioactive, à l’abri d’une atmosphère qui, en grande partie, nous protège des rayons cosmiques et d’autres risques radiologiques.

Comme pour la plupart des choses dans la vie, la clé du bonheur consiste à trouver la bonne perspective.

[Heading image: Fukushima Daiichi at night. (Source: Tepco)]