Tritium

Le tritium (/tʁi.sjɔm/ ou /tʁi.tjɔm/), noté H ou T, est l'isotope de l'hydrogène dont le nombre de masse est égal à 3 : son noyau atomique, appelé triton, compte  et  avec un spin 1/2+ pour une masse atomique de . Il est caractérisé par un excès de masse de  et une énergie de liaison nucléaire par nucléon de . Il a été mis en évidence en 1934 par Ernest Rutherford, dans la réaction de fusion nucléaire .

À la différence du protium H et du deutérium H, ce nucléide est radioactif et se désintègre en  (He) avec une demi-vie de . Son activité spécifique ou activité massique est de  (soit  ou ) ou encore  par gramme (soit ). Il émet un rayonnement β de faible énergie,  en moyenne, ainsi qu'un antineutrino électronique d'énergie , en donnant He.

Le tritium est extrêmement rare à l'état naturel (environ un atome de tritium pour  d'hydrogène), mais est émis dans l'environnement par l'industrie nucléaire : dans le fonctionnement normal des réacteurs nucléaires et lors du traitement des éléments combustibles. Il est également produit lors d'explosions nucléaires. L'Autorité de sûreté nucléaire estime que .

Propriétés

Propriétés physiques 

Un atome de tritium a une masse atomique de . Le tritium existe comme corps pur sous la forme de T gazeux dans les conditions normales de température et de pression.

Quand elle comporte des atomes de tritium (H) plutôt que de protium (H) voire de deutérium (H), la molécule d'eau est plus lourde. Elle présente aussi de subtiles différences (dipôles différents, moments d'inertie modifiés, légère différence massique) qui pour une molécule apparemment semblable pourraient peut-être expliquer de légères différences de comportements, dont pour l’eau tritiée lors des processus naturels de changement de phase (évaporation, condensation, cristallisation, diffusion/sorption). Ces différences pourraient, par exemple, expliquer un faible enrichissement en tritium de la phase condensée par rapport à l’hydrogène (plus léger).

HTO était et reste encore la molécule traceur considérée comme la moins différente de l'eau pure (H2O), HTO a par exemple été utilisée pour calculer la valeur de la perméabilité à l'eau de différents types de membranes biologiques (peau, intestin, muqueuses… chez différentes espèces).

Comme l'hydrogène, le tritium gazeux est difficile à stocker à température ambiante. De nombreux matériaux apparemment étanches, dont la plupart des aciers, sont poreux pour le tritium.

Propriétés chimiques 

En s'oxydant en présence d'oxygène, même en milieu sec, il produit de l'eau tritiée (HTO ou T2O), s'il y a une source de chaleur ou une étincelle.

Radioactivité 

La période radioactive du tritium est de 12,32 ans.

Il se transforme en hélium 3 par une désintégration β suivant la réaction nucléaire :

 ⟶  +  +  + .

L'électron émis emporte en moyenne une énergie cinétique de , le reste est emporté par un antineutrino électronique (pratiquement indétectable). L'énergie particulièrement faible de l'électron rend le tritium difficile à détecter autrement que par scintigraphie.

La radioactivité β de faible énergie fait que les électrons émis sont rapidement arrêtés dans l'eau et dans les tissus biologiques, après avoir parcouru seulement 6 μm tout au plus (et en moyenne environ 0,56 μm). Un rayonnement externe est donc rapidement arrêté par la simple surface « morte » de la peau humaine.

Cependant, contrairement à leur rayonnement, la plupart des molécules tritiées comme l'eau tritiée sont facilement absorbées à travers la peau, des membranes ou tissus biologiques de tous les êtres vivants. Sa radioactivité ne le rend donc potentiellement dangereux que s'il est inhalé ou ingéré, et a priori uniquement dans les cellules vivantes qu'il aura pénétrées.

Production

Réactions de production 

Le tritium naturel est dit « cosmogénique » car provenant de l'interaction du rayonnement cosmique avec divers constituants de l'atmosphère. La réaction nucléaire dominante est l'interaction entre un neutron rapide (de plus de 4 MeV) et un atome d'azote, par réaction (n,T) :

 +  ⟶  + .

Environ  soit () de tritium seraient ainsi annuellement produits (moyenne qui peut cycliquement varier avec l'activité solaire ; quand elle est intense, le vent solaire qu'elle produit atténue le rayonnement cosmique qui frappe la Terre). L'inventaire global du tritium naturel terrestre serait d'environ  soit  et la dose annuelle de radioactivité absorbée par un humain ayant le tritium d’origine naturelle est d’environ .

Les 2/3 environ du tritium naturel seraient produits dans la stratosphère et le reste dans l'hydrosphère et la lithosphère. De plus, un peu de tritium provient du milieu extraterrestre (émis par le Soleil ou d'autres étoiles et poussé par le rayonnement cosmique ou les vents solaires orientés vers la Terre). Inversement, en même temps que de l'hydrogène, l'atmosphère terrestre perd un peu de tritium, arraché par les vents solaires en périphérie de la haute atmosphère. Il s'en produit plus en période d'éruption solaire (environ )

Du tritium artificiel est cependant produit par l'homme en plus grande quantité depuis les années 1940, via les explosions nucléaires, ou parce que du lithium est exposé à un flux neutronique. C'est le cas dans le réacteur d'une centrale nucléaire. L'isotope léger (Li), présent dans le lithium naturel à raison de 7,5 %, capture les neutrons et donne des noyaux d'hélium et de tritium suivant la réaction :

 +  ⟶ (σ = ) ⟶  () +  ().

Le lithium 7 exposé à des neutrons de haute énergie peut également subir une réaction (n, alpha) endothermique (réaction découverte lors de l'essai Castle Bravo ; dont l'explosion a été d'une énergie 2,5 fois supérieure aux prévisions à cause de l'excès de tritium produit de cette manière).

 +  (+) ⟶  +  + .

Dans un réacteur à eau pressurisée, de l'acide borique est utilisé comme « poison » consommable. Le  peut parfois occasionnellement subir une fission ternaire (n, T, 2α), conduisant à deux atomes d'hélium et un de tritium:

 +  ⟶ (σ = ) ⟶ 2  + .

Les réacteurs à eau lourde génèrent du tritium par capture d'un neutron par un atome de deutérium. Cette réaction n'a qu'une très faible section efficace (c'est pourquoi l'eau lourde est un bon modérateur) et ne produit que peu de tritium. La même réaction se produit sur la faible proportion de deutérium (0,015 %) dans les réacteurs où l'eau est utilisée comme caloporteur.

 +  ⟶ (σ = ) ⟶ .

En milieu nucléaire, l' produit par la désintégration du tritium est lui-même réactivé en tritium par capture neutronique, facilité par sa grande section de capture :

 +  ⟶ (σ = ) ⟶  +  + .

Le tritium est également produit dans les réacteurs nucléaires électrogènes comme produit de fission pour environ  par an et par réacteur. Le tritium produit par fission n'est normalement pas rejeté au niveau du réacteur, car il reste majoritairement dans le combustible pour se trouver dans la solution de produits de fission à l'usine de retraitement. Malgré tout, un réacteur de  rejette de l'ordre de  (soit ).

Production industrielle 

Toutes les centrales produisent du tritium qui est un résidu de l'exploitation des réacteurs. En France, . Des limites de rejets sont imposées pour chaque installation, par arrêté (ex :  à ne pas dépasser pour les rejets de la centrale nucléaire de Chooz B en 2005).

La principale source civile de tritium dans le monde ce sont les réacteurs modérés à l'eau lourde, comme les CANDU ou les PHWR argentins de conception Siemens, où le tritium constitue un produit d'activation. Dans certains réacteurs, le tritium est périodiquement extrait du modérateur, et peut être disponible pour une utilisation industrielle.

Le tritium est extrait de l'eau lourde au « Tritium Removal Facility » (TRF) en deux étapes : extraction catalytique en phase vapeur, puis distillation cryogénique. Le TRF produit annuellement  de tritium.

De 1962 à 1976, un laboratoire français du centre CEA de Saclay était équipé pour la production d'importantes quantités de tritium. Deux réacteurs de recherche français dénommés Célestin I et II qui sont entrés en service à Marcoule en 1967 et 1968 étaient particulièrement destinés à la production de tritium. En 1967, l'Atelier d'extraction du tritium des cibles situé aussi à Marcoule a commencé à fonctionner.

Le tritium à usages militaires est produit en réacteurs d'irradiations, par irradiation de lithium. C'est la méthode choisie par l'autre grand fournisseur de tritium civil, Reviss Services et envisagée pour le fonctionnement continu d'ITER.

C'est la source envisagée pour le démarrage d'ITER : la fusion thermonucléaire destinée à produire de l'énergie devrait bientôt utiliser le lithium dans une zone périphérique dite de couverture, enveloppant le cœur du réacteur, pour intercepter un maximum de neutrons produits par les réactions de fusion. Le tritium ainsi produit servirait à régénérer le tritium consommé par la réaction, ce qui permettrait de fermer le cycle de la voie fusion.

Usages

Pour la fusion nucléaire 

Le tritium est un élément clef de la fusion nucléaire, par la grande section efficace et l'énergie dégagée par sa réaction avec le deutérium :

 +  ⟶  +  + .

Tous les noyaux composés de neutrons et de protons sont chargés positivement, et se repoussent du fait de la force électrostatique qui en résulte. Cependant, quand la température et la pression sont suffisamment élevées, ils peuvent se rapprocher au point que l'interaction forte prenne le dessus et provoque la fusion en un noyau plus gros.

Le noyau de tritium, formé d'un proton et de deux neutrons, a une charge électrique identique à celle du noyau d'un atome d'hydrogène, et subit donc la même répulsion électrostatique. Mais les neutrons augmentent l'effet de l'interaction forte, permettant une fusion plus facile qu'entre atomes d'hydrogène.

Usage militaire 

Le principal usage du tritium produit dans le monde est d’.

Les bombes nucléaires à fusion nucléaire sont en effet de type tritium-tritium ou tritium-deutérium. La réaction est déclenchée par les températures et pressions extrêmes d'une réaction explosive de fission nucléaire d'uranium 235 ou de plutonium 239. Les neutrons dégagés par la fusion du tritium favorisent à leur tour la fission de l'uranium ou du plutonium résiduels.

Aucune publication officielle ne le dit, mais on estime que les têtes nucléaires contiennent environ  de tritium, et qu'une bombe à neutrons en contient de .

Le tritium est une matière nucléaire dont la détention est réglementée en France (Article R1333-1 du Code de la défense).
Mais au niveau international, il n'est pas retenu parmi les « produits fissiles » du TNP et ne fait pas l'objet de contrôles pour l'AIEA.

Une très faible quantité de tritium est également utilisée sur des modèles d'organes de visée d'armes légères, afin de permettre à l'usager de pouvoir sortir son arme et immédiatement viser en conditions nocturnes. Ces modifications sont en revanche interdites dans plusieurs pays, dont la France depuis 2002. D'autres personnes utilisent plutôt des inserts photoluminescents qui accumulent la lumière (du soleil, ou d'une autre source comme une lampe torche) puis la restituent, ou peignent eux-mêmes les points de couleur sur leurs organes de visée avec de la peinture phosphorescente.

Usages non-nucléaires 

Les usages non-nucléaires n'impliquent que des traces de tritium, et ne concernent qu'une fraction très faible des quantités produites.

Des composés tritiés gazeux sont utilisés depuis les années 1950 pour leur capacité à faire briller dans le noir les matériaux phosphorescents, avec bien moins de risque (norme ISO 3157:1991) qu'avec le radium (maintenant interdit pour la luminescence des montres et réveils en raison de sa dangerosité pour les travailleurs, même avec de faibles doses reçues).

Des tubes transparents remplis de gaz rendent lumineux des points (montres, chronomètres, systèmes de visée d'armes de chasse, guerre, ou tir sportif) ou des dispositifs d’éclairage de panneaux, d'éléments autolumineux dans les avions, de feux de pistes d’aéroport, cadrans lumineux, de jauges, etc., ou de signalétique de sécurité (de type « sortie de secours » (jusqu'à une vingtaine de curies, soit ) n'ayant alors plus besoin de piles ou de circuit d'alimentation.

Bien que cela soit interdit ou réglementé dans certains pays (comme aux États-Unis avec la nécessité d'une autorisation de l'US EPA), des capsules de tritium gazeux sont utilisées dans certaines montres ou gadgets (dits « T-luminising » ou « trasers »), qui font l'objet d'un commerce illégal.

La plupart de ces objets peuvent perdre leur tritium en cas d'incendie, mais les quantités impliquées susceptibles d'être réellement inhalées (de l'ordre de quelques kBq) n'entraînent généralement pas de danger en matière de santé publique (même si l'on admet qu'il est ingéré sous forme d'eau tritiée, dont le facteur de dose est  ; un kilo-becquerel de tritium inhalé sous cette forme correspond à une dose de 0.018 µSv, très inférieure à ce que l'on sait mesurer de l'effet des faibles doses d'irradiation).

En France, cette pratique est soumise à autorisation de vente par le code de la santé publique ; le décret 2002-450 du  dispose ainsi qu’est .

Du tritium provenant probablement d'objets de ce type est retrouvé dans les lixiviats de certaines décharges municipales, et donc probablement présent dans les fumées ou cendres d'incinérateurs. Mutch et Mahony (2008) avec, par exemple, en moyenne  et jusqu'à  émis par de l'eau tritiée trouvée dans les lixiviats de deux décharges étudiées dans les États de New York et du New Jersey. En Californie des taux moyens de  et jusqu'à  trouvés dans de tels lixiviats (à comparer à la limite de potabilité de l'ordre de , voir eau tritiée). Ce tritium peut aussi se rediffuser dans l'air, via les condensats de gaz de décharge où l'on a trouvé, par exemple, du tritium à dose de  au Royaume-Uni et  en Californie.

Du tritium gazeux est également utilisé pour les usages suivants :
 comme produits de radiochimie, produits radiopharmaceutiques et biotechnologiques, dont pour l'aide à certains diagnostics médicaux. Une production commerciale croissante de tritium existe pour cet usage ;
 comme traceur utilisé en laboratoires de recherche ou in situ (pour mesurer l'imperméabilité d'une argile ou d'autres matériaux par exemple) ;
 comme traceur dans l’exploration pétrolière ou de gaz naturel, gaz de schistes ;
 comme éléments de détecteurs (de neutrinos, en couche fine) ou antérieurement de spectroscope ;
 comme source d'énergie pour des micro-batteries et piles bêta-voltaïques . Elles ne sont pas utilisées pour le grand public, mais les chercheurs tentent de les miniaturiser pour les utiliser dans les ordinateurs portables et les téléphones. Ce type de piles présente l'avantage de fournir en continu du courant pendant environ trente ans, que l'on s'en serve ou non, et ce sans échauffement de la pile.

Le tritium peut également être utilisé pour la datation de masses d'eau.

Impacts biologiques et écologiques du tritium 

Depuis l'arrêt des essais nucléaires dans l'atmosphère, le tritium artificiel est principalement rejeté dans l'air et l'eau par les installations nucléaires. Il est, avec le , l'un des deux radionucléides les plus émis dans l’environnement par les installations nucléaires en fonctionnement normal, notamment par les réacteurs CANDU canadiens, ce qui a incité l'organisme de réglementation nucléaire du Canada et la Commission canadienne de sécurité nucléaire (CCSN) à mieux comprendre la cinétique du tritium dans l'environnement et notamment dans l'air.

La nature et l'étendue de son impact continuent à faire l'objet d'études. Une synthèse des connaissances disponibles a été publiée en 2010 par l'Autorité de sûreté nucléaire française :
 la période biologique (sensiblement égale à la période effective dans le cas du tritium) varie suivant la forme sous laquelle le tritium est fixé. Quelle que soit la forme de l’apport en tritium, la plus grande partie du tritium est réputée éliminée en un mois et la presque-totalité est éliminée en moins d’un an. Sa période biologique est donc très inférieure à sa période radioactive de douze ans ;
 le facteur de dose pour l'eau tritiée (la forme la plus courante dans l'environnement) est de . Compte tenu de sa très faible radiotoxicité, des excès de cancers ne sont attendus que pour des expositions de l'ordre du giga-becquerel, très au-delà des niveaux d'expositions rencontrés dans les environnements marqués au tritium ;
 les recommandations de l’OMS sur les critères de potabilité de l’eau de boisson sont que la dose reçue du fait de la présence d’un radionucléide dans l’eau de boisson ne dépasse pas . Cette dose pourrait être atteinte chez l’adulte par la consommation quotidienne de deux litres d’eau tritiée à hauteur de  (valeur guide de l’OMS pour ce radioélément). La réglementation française retient que l'eau peut être considérée comme potable sans restriction jusqu'à dix mille becquerels par litre (soit ).

Sécurité et radioprotection

Mesure, dosage 

Il a fallu attendre les années 2000 pour mieux doser le tritium. Les techniques d'analyses sont les suivantes :
 une chambre d'ionisation des gaz permet de mesurer des concentrations importantes, de même que la microcalorimétrie pour des solides (sous forme d'hydrures par exemple) ;
 l'eau tritiée, ou des liquides (extraits par distillation azéotropique de plantes, animaux, champignons, sols) peuvent être analysés facilement par scintillation liquide ;
 vers 1980 sont apparus des compteurs à très bas bruit de fond détectant le tritium à partir de . De nouveaux flacons de comptage ainsi que des « cocktails scintillants » spéciaux ont permis de le détecter à partir de  ;
 la spectrométrie de masse de cet isotope est encore plus précise, mais plus longue (délais d'attente pour les analyses). Le tritium de l'air doit être analysé dans l'eau, après y avoir été solubilisé. Le tritium peut dégazer d'un échantillon liquide pour s'enfuir dans l'atmosphère. Les échantillons sont donc conservés en flacons étanches et avec une pellicule d'huile minérale sur le liquide ;
 une eau faiblement tritiée peut être « enrichie » pour analyse en profitant du fait que, lors de l'électrolyse, le tritium se dégage à la cathode plus lentement que l’hydrogène ordinaire (car ce dernier est plus léger). Cette technique permet d’accroître les seuils d'analyse de 0,2 jusqu’à  ;
 les échantillons de sols ou de tissus vivant sont congelés et si possible traités dans leurs récipents d'échantillonnages qui doivent être étanches.

Surveillance 

Les concentrations en tritium sont surveillées dans l'air et les pluies depuis les années 1950. On sait mieux le doser depuis les années 2000, mais sa cinétique et l'impact de ce tritium dans le réseau trophique sont encore discutés et mal compris (notamment pour ses formes organiques).

On s'y est intéressé chez les lichens, réputés bons biointégrateurs et bioindicateurs de certains stress environnementaux, particulièrement résistants à la radioactivité, l'algue symbiote du lichen fixant le tritium et le carbone 14 via la photosynthèse, pour ensuite l'inclure dans des composés organiques, dans l'algue et le champignon-partenaire. Le lichen arboricole permet un suivi des eaux météoritiques (pluie, vapeur, rosée, etc.) sans contamination par le tritium du sol ou par le tritium de l'eau du sol. L'analyse des lichens anciens ou de lichens transférés autour de sites civils ou militaires permet de cartographier, parfois de manière spectaculaire, les retombées provenant de ces installations. L'analyse des cernes du bois d'arbre permet par ailleurs d'estimer les variations annuelles d'absorption par les arbres.

En France
Dans les années 2000-2010, chaque année, plus de  de tritium étaient faites dans l'eau et l'air autour des centrales et on commence à chercher à évaluer son impact autour des centrales. Le , l'ACRO a relevé  de tritium en mer dans la Baie d'Écalgrain, près de l'usine AREVA de La Hague, contre habituellement moins de  à cet endroit (et jamais plus de  en dix ans de mesure à  Goury (1998-2007) selon l'IRSN) pour un fond naturel d'environ . Les données transmises par l'exploitant au Réseau National de Mesure n'évoquent rien d'anormal pour cette date. L'Acro note à titre de comparaison que c'est beaucoup plus que pour le tritium relevé en  devant la centrale nucléaire accidentée de Fukushima.

Des incidents sont parfois signalés hors des centrales (entreprises gérant, incinérant ou inertant des déchets radioactifs) ou dans les centrales. Par exemple, la centrale nucléaire de Gravelines a déclaré, le , un Dépassement de l'autorisation de rejet en tritium : le rejet dépassait , soit 14 fois plus que la valeur attendue (moins de ). La cause semble avoir été un .

Gestion des déchets tritiés 

En France, depuis 1980, une loi protège et contrôle 6 matières nucléaires utilisables pour faire des armes nucléaires : le plutonium, l'uranium, le thorium, le deutérium, le tritium et le lithium 6.

Et depuis 2006, une loi a imposé aux autorités responsable des déchets tritiés « la mise au point pour 2008 de solutions d'entreposage des déchets contenant du tritium permettant la réduction de leur radioactivité avant leur stockage en surface ou à faible profondeur ».

Divers moyens de décontamination très relative (c'est un vrai problème pour les eaux contaminées de Fukushima) existent, allant de la désorption au laser de tritium adsorbé sur des surfaces contaminées, à l'usage d'un tamis moléculaire (pour l'eau, l'air ou un autre gaz contaminés). Dans les deux cas, cela produit un « effet mémoire » du tritium dans les filtres et par conséquent des risques de recontamination (du tritium s'accumule par exemple dans les tamis moléculaire en pénétrant les zéolites qui les composent, dont une partie pourra être relarguée lors d'une régénération ou utilisation ultérieure du filtre). Ce type de filtre finit comme déchet tritié.

Plan d'action de l’ASN (France) 

Au vu des données récentes et selon le principe de précaution, l'ASN a demandé à l'IRSN, à l'Agence nationale de sécurité sanitaire, au CEA et à la Commission Internationale de Protection Radiologique d’étudier plus finement les effets du tritium sur l’environnement, l’embryon et le fœtus.

L’ASN engage les acteurs concernés à harmoniser les méthodes d'évaluation des doses selon l’espèce physico-chimique du tritium, et selon la voie de contamination (inhalation, ingestion, passage percutané), et non plus seulement selon la durée d'exposition.

L'ASN a demandé des investigations sur d'éventuels effets cancérigènes ou héréditaires (études épidémiologiques chez les travailleurs…).

L'ASN doit créer un comité de suivi de ce plan. L'agence invite aussi les exploitants d'installations nucléaires (Areva, EDF) à mieux maîtriser leurs rejets du tritium et mettre en place une veille technologique en matière de « détritiation » des rejets.

Notes et références

Notes

Références

Voir aussi

Bibliographie 

  Ciffroy P., Siclet F., Damois C., LuckM.,  ; , Volume 90, Issue 2, 2006, Pages 110-139
  Livshits Alexander I.; Hatano Yuji; Watanabe Kuniaki (2002) ; Superpermeability in fusion technology: Tritium accumulation and compression; Fusion Science and Technology; Congrès / International Conference on Tritium Science and Technology , Tsukuba, Japan (12/11/2001); 2002, vol. 41 (2),  (880 p.)  (résumé INIST/CNRS)]
  Raskob, W, Strack S, FZK-Autoren, U.A. , Biomovs II Technical Report , .
  Raskob, W, Strack S, FZK-Autoren, U.A. , Biomovs II Technical Report , .
  Raskob, W, Diabate S, Strack S, , codes Internat. Symp on Ionizing Radiation: Protection ot the natural Environment, Stockholm, S, may 20-24, 1996.

Articles connexes

Liens externes 

 
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 , et 
  Review of Risks from Tritium, Rapport du groupe indépendant sur les radiations ionisantes « Independent advisory group on ionising radiation » à l'Agence  Health Protection Agency (HPA), .

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