Tritium

Tritium (Hydrogène 3)
table
General
Nom, Symbole	tritium, triton, 3H
Neutrons	2
Protons	1
Données Physiques
Présence naturelle	trace
demi-vie	12,32 ans ± 0,02 ans
Produit de désintégration	hélium 3
Masse atomique	3 016 049 200 uma u
Spin	1/2+
Excès d'énergie	14 949,794 ± 0,001 keV
Énergie de liaison	8 481,821 ± 0,004 keV
Désintégration	Énergie (MeV)
Désintégration bêta	0,018590

Le tritium (T ou ³H) figure parmi les isotopes de l'hydrogène (de même que le deutérium). Il possède 1 proton et 2 neutrons.

A la différence du deutérium, c'est un élément radioactif, qui émet un rayonnement bêta (β-) (de faible énergie) en se transformant en hélium 3 (³He).
Sa période ou demi-vie est de 12,34 ans. Son activité massique est de 3,59.10¹⁴ Bq/g (soit 1 g = 359 TBq).

Inventaire planétaire et écologie du Tritium

Du tritium «naturel» est produit, principalement dans la haute atmosphère par spallation des atomes d'azote 14 (mais aussi d'oxygène et d'argon) par les rayons cosmiques. En terme d'activité, l'UNSCEAR estime l'inventaire global du tritium naturel à environ 1,3.10¹⁸ Bq.

• - La production annuelle de tritium est comprise entre 5,01.10¹⁶ et 7,4.10¹⁶ Bq/an (soit entre 150 et 200 g).
• - Une production tellurique (souterraine) existe, mais est mal quantifiée. Elle semble cependant très faible face à la production aérienne.

Du tritium anthropique est émis (et en forte augmentation dans l'environnement) depuis les années 40, dépassant de loin les taux naturels, via deux sources principales : les installations nucléaires et les explosions nucléaires ;

• - les essais thermonucléaires : bombe A ou bombe H ont injecté dans l'atmosphère de l'hémisphère nord, principalement dans les années 1950 à 1980, environ 186 000 PBq (ou 186 000 petabecquerel, soit 186 000 x 10¹⁵ Bq, c'est-à-dire 186 milliards de milliards de Becquerels) de tritium.
  A notre époque (années 2000), environ 80 % de ce rayonnement a «disparu» du fait de la décroissance radioactive, 90 % selon l'IRSN^[1] de 1945 à la fin des années soixante. La production d'armes thermonucléaires est elle aussi source d'émissions de tritium. À titre d'exemple, en France, l'unique centre de Valduc du CEA, a ainsi déclaré pour l'unique année 1999 ; 2,67.10¹⁴ Bq d'activité pour ses rejets gazeux, émis en particulier sous une forme organique. Leur répartition était d'environ 70 % sous forme HTO (eau tritiée) et 30 % sous forme HT (hydrogène tritié) ^[2].
• - les installations nucléaires : Civiles et militaires ; réacteurs, usines de retraitement et production d'armes avaient de 1950 à 1997 déjà dispersé environ 297 PBq de tritium, auxquel il faut ajouter 2,8 PBq de carbone 14, selon l'évaluation faite par l'UNSCEAR en 2000^[3].
  

Le retraitement est aussi une source de tritium de fusion.

Cinétique du tritium dans l'environnement

Le tritium est connu sous 3 formes dans l'environnement :

• HT (Tritium gazeux, hydrogène tritié), CH₃T (méthane tritié), dont la production et les taux dans l'environnement pourraient augmenter avec le développement de la fusion nucléaire.

• HTO (Eau tritiée)  : 99 % environ du tritium produit prend rapidement cette forme, principalement dans l'océan mondial. En 1972, l'UNSCEAR estimait à 6,3.10¹⁹ Bq, contre 4,3.10¹⁹ Bq actuellement^[4]. Ce sont les océans qui en contiennent le plus, mais si dilué dans leur masse que le taux de tritium (0,2 Bq/l en moyenne) est bien plus bas que dans les eaux continentales (UNSCEAR, 1993), sauf en cas de proximité d'installations nucléaires.

• OBT (pour "Organically Bounded Tritium" ; expression désignant le tritium intégré de manière covalente au sein de molécules organiques), dans les organismes vivants (biomasse), leurs cadavres (nécromasse) ou excréments et excrétats, dans la matière organique du sol et des sédiments...

Très soluble dans l'eau, il est principalement présent sous forme d'eau tritiée (liquide ou gazeuse)  ; on parle dans ce cas de tritium libre. La légère différence massique d'une même molécule selon qu'elle contienne des atomes d'hydrogène ou de tritium explique des différences de comportements, surtout concernant l'eau tritiée lors des processus naturels de changement de phase (évaporation, condensation, cristallisation.. ) source d'un faible enrichissement en tritium de la phase condensée comparé à l'hydrogène (plus léger).

Le tritium ayant les mêmes propriétés chimiques que l'hydrogène, il s'y substitue aisément et partout, autrement dit qu'il se lie à d'autres atomes, dans les molécules, surtout organiques, de la même manière que le ferait l'hydrogène, et l'eau tritiée se répartit sur la totalité du cycle de l'eau.

De là, le tritium est aisément incorporé à la matière organique tritium lié lors de la photosynthèse et via le recyclage de la nécromasse ou d'une façon plus générale via la chaine alimentaire ; ces trois formes de tritium peuvent être transférées aux autres compartiments de l'écosystème. Il conviendrait par conséquent de mesurer l'impact de l'activité du tritium sur la période de formation de la matière organique pour pouvoir en déterminer les effets et avoir une information rétrospective sur le sujet.

Certaines ONG (Crii-Rad, Greenpeace, …) dénoncent les rejets industriels de tritium et de carbone 14 en insistant sur la capacité d'organismes filtreurs (ou biointégrateurs) à concentrer certains toxiques dilués dans l'environnement (bioconcentration ; exemple : une moule peut concentrer 700 000 fois, voire jusqu'à environ 1 million de fois, l'iode qui est si faiblement réparti en mer qu'il n'est fréquemment pas quantifiable dans l'eau).

Cette argumentation ne parait pas applicable au cas du tritium, car ce dernier a des propriétés chimiques si proches de celles de l'hydrogène qu'il se comporte en tous points comme lui dans tout le cycle de l'eau autrement dit sans facteur de séparation possible ou significatif^[5], y compris dans les systèmes vivants^[6]. L'IRSN considère qu'en situation d'«équilibre-vrai», il ne semble pas s'accumuler préférentiellement dans tel ou tel composant environnemental ou biologique^[7]. Une étude sur des algues marines effectuée en 1983 a suggéré une possibilité d'accumulation^[8]; mais ce résultat non conclusif n'a pas été confirmé depuis.

Propriétés

Propriétés chimiques

Aux températures ordinaires, le tritium est un gaz (HT ou T₂). En présence d'oxygène, il produit de l'eau tritiée (HTO), s'il y a une source de chaleur ou une étincelle. (Oxydation, tout comme l'isotope léger H₂). En milieu sec, le tritium gazeux se convertit en eau tritiée ; environ 1 % du tritium est converti en 1 heure, et d'autant plus vite que le milieu sera humide. ^{[réf.  souhaitée]}

Radioactivité

Le tritium est radioactif. Sa demi-vie est de 12,32 ans.
Il se transforme en hélium 3 par la réaction :

La réaction dégage une énergie maximale (Emax) de 18,6 keV et moyenne (Emoy) de 5,7 keV, l'électron emportant en moyenne une énergie cinétique de 5,7 keV, le reste étant emporté par un antineutrino électronique (quasiment indétectable). Son énergie particulièrement faible le rend aussi difficile à détecter autrement que par scintigraphie.

Le rayonnement bêta émis est de faible énergie : il est rapidement arrêté dans l'eau et dans les tissus biologiques après avoir parcouru 6 μm tout au plus (et en moyenne environ 0,56 μm). Par conséquent, un rayonnement externe est rapidement arrêté par la surface «morte» de la peau humaine. Cependant, contrairement à son rayonnement, la majorité des molécules tritiées (HTO ou OBT) peuvent être absorbées à travers la peau, membranes ou tissus biologiques de la majorité des êtres vivants tels que les humains, les animaux, les espèces fongiques, les végétaux et autres.

Du point de vue de sa radioactivité, le tritium n'est par conséquent dangereux que lorsqu'il est inhalé ou ingéré ou lorsqu'il a pénétré une cellule vivante.

Tritium et industrie nucléaire

Le tritium est une matière nucléaire dont la détention est réglementée (En France : Article R1333-1 du code de la défense).

Production

Le tritum est produit dans la nature par l'interaction entre le rayonnement cosmique et l'atmosphère. La réaction dominante est l'interaction entre un neutron rapide (de plus de 4 MeV) et un atome d'azote^[9] :

Cependant, du fait de la demi-vie assez courte du tritium, comparé aux temps géologiques, celui-ci est en "quasi-équilibre" entre la production et la désintégration. Il ne peut pas s'accumuler dans l'atmosphère de manière significative.

Le tritium peut être produit en quantités importantes en bombardant du lithium par un flux neutronique. C'est le cas par exemple dans le réacteur nucléaire d'une centrale nucléaire. L'isotope léger (⁶Li), 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 :

Dans le futur, la fusion thermonucléaire destinée à produire de l'énergie devrait utiliser le lithium dans une zone périphérique dite de couverture, enveloppant le cœur du réacteur, afin d'intercepter un maximum de neutrons produits par les réactions de fusion. Le tritium pourrait ainsi être produit et consommé sur place, limitant le transport de matières radioactives.

Les réacteurs à eau lourde en produisent par la 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.

Les réacteurs nucléaires et l'industrie nucléaire, via surtout le retraitement des déchets nucléaires, produisent du tritium par irradiation de lithium 6 lors de réactions de fission ou de retraitement. Le tritium «dégaze» du combustible «usé» et est essentiellement libéré durant le retraitement de ce combustible.

En milieu nucléaire, l'hélium 3 produit par la désintégration du tritium est lui-même réactivé en tritium par la réaction inverse :

Utilisation

Le tritium est utilisé dans les armes nucléaires utilisant la fusion nucléaire tritium-tritium ou tritium-deutérium. Celle-ci est déclenchée par les conditions extrêmes de température et de pression lors d'une réaction explosive de fission nucléaire de l'uranium 235 ou du plutonium 239. Les neutrons dégagés par la fusion du tritium facilitent à leur tour la fission de l'uranium ou du plutonium.

Le tritium gazeux est aussi utilisé pour sa capacité à faire briller dans le noir le phosphore, avec bien moins de risque qu'avec le radium (interdit pour ces usages à cause de sa dangerosité, surtout pour les travailleurs). Des tubes transparents emplis de gaz servent à rendre lumineux des points (montres, chronomètres, systèmes de visée d'armes de chasse, guerre, ou tir sportif), des gadgets (pendentifs, porte-clés) ou des panneaux de sécurité (de type "sortie de secours" qui n'ont dans ce cas plus besoin de piles ou circuit d'alimentation, mais qui peuvent perdre leur tritium en cas d'incendie).

Le tritium sera aussi l'un des isotopes de l'hydrogène utilisé pour le fonctionnement du futur réacteur à fusion nucléaire ITER.

Rejets

Le tritium est, avec le carbone 14, l'un des deux radionucléides les plus émis dans l'environnement durant le fonctionnement normal des installations nucléaires.

On ne connait pas actuellement de moyen, à coûts raisonnables, de filtrer, isoler ou stocker correctement le tritium. Cet atome étant actif et parmi les plus petits (sous forme gazeuse), il se diffuse par les porosités les plus fines, passant par exemple au travers du caoutchouc et se diffusant dans la majorité des types d'acier. Il peut s'évaporer, se diluer dans de l'eau et pénétrer le béton s'il n'est pas protégé par une couche spéciale.

C'est pourquoi les gros producteurs de tritium ont demandé (et obtenu) des normes leur servant à disperser et de diluer le tritium dans l'environnement.

Les usines de production de plutonium de la Hague ou de Sellafield ont des limites de rejets leur servant à rejeter en mer ou dans l'air la quasi totalité du tritium qu'elles produisent ou doivent gérer. Les usines de retraitement de la Hague peuvent rejeter en mer 1400 fois plus de tritium que ce qui est autorisé pour le réacteur de la centrale nucléaire de Gravelines, aussi situé en bord de la mer ainsi qu'à proximité de grandes zones de pêche, mais dans une zone plus urbanisée et avec des courants moins forts.

L'usine de retraitement de la Hague a l'autorisation de rejeter 37 000 TBq (térabecquerels) par an sous forme liquide et 2 200 TBq par an sous forme gazeuse^[10].
L'usine de la Hague a déclaré en 1999, 8.10¹³ Bq (soit 0,22 g de tritium) et les rejets liquides à 13.10¹⁵Bq (soit 36 g). Pour l'année 2002, elle en a rejeté respectivement 11 900 TBq et 63,2 TBq (source Areva NC).
Pour l'usine de Sellafield (GB) en 1997, les rejets gazeux de tritium se sont élevés à 1,7.10¹⁴ Bq et les rejets liquides à 2,6.10¹⁵ Bq (BNFL, 1997).

Selon l'Autorité de sûreté nucléaire, en France, bien que les «activités» des rejets d'autres radionucléides ont fortement diminué (d'un facteur 100 voire plus) des années 1985 aux années 2005, «les activités en tritium et en carbone 14 restent globalement constantes, voire augmentent pour certaines installations»^[11].

Utilisation non nucléaire

Le radium (trop radioactif) a été interdit pour la luminescence des montres et réveils, où il a été remplacé par du tritium moins dangereux (norme ISO 3157 :1991). Le rayonnement bêta du tritium suffit à exciter suffisamment une matière luminescente pour rendre les graduations visibles dans l'obscurité.

Bien que cela soit interdit dans certains pays (dont les USA), des capsules de tritium gazeux sont utilisées dans certaines montres ou gadgets (dits «trasers»), qui font l'objet d'un commerce illégal et peut-être dangereux.

En France, cette pratique est soumise à autorisation de vente par le code de la santé publique^[12].

Le tritium est aussi utilisé dans le fonctionnement des piles bêta-voltaïque qu'on peut déjà trouver dans certains satellites. Elle ne sont pas utilisées pour le grand public, mais les chercheurs tentent de les miniaturiser pour les utiliser dans les ordinateurs portable et les téléphones.
En effet, ce type de piles a l'avantage de apporter en continu du courant pendant environ 30 ans, qu'on s'en serve ou non, et ce sans échauffement de la pile.

Toxicologie

Contraintes

L'irradiation bêta émise par le tritium est faible : le tritium fait réglementairement^[13] partie du groupe de radiotoxicité le plus faible (groupe 4). La radioactivité du tritium est assez faible, et ne présente quasiment aucun danger par ses rayonnements à distance, compte tenu des quantités habituellement rencontrées : l'énergie des paticules β émises n'entraine pas d'exposition externe significative. Le parcours maximal du rayonnement β du tritium (6 μm) est du même ordre de grandeur que la dimension du noyau cellulaire (quelques μm), par conséquent les rayonnements émis par le tritium sont bloqués par la couche de peau morte qui recouvre l'épiderme.

En revanche, s'il a été ingéré, ce qui est facilité lorsqu'il est à l'état gazeux ou lorsqu'il est présent sous forme d'eau tritiée, il peut endommager les cellules qui y sont exposées. Il est néanmoins reconnu comme cancérigène. Christian Bataille, dans son rapport^[14] sur la gestion des déchets nucléaires rappelle que le tritium «présente pour la santé humaine des dangers incontestables qu'il convient de ne jamais oublier.»

La radiotoxicité du tritium est très différente suivant qu'il est absorbé sous forme gazeuse, liquide, ou organiquement fixée (OBT).

Le tritium pénètre dans le corps par la respiration, par ingestion ou à travers la peau.

• La part inhalée se répand équitablement dans les tissus mous. L'assimilation sous forme de tritium gazeux est environ 10 000 fois plus faible que sous forme d'eau tritiée. Seul 0,01 % de l'activité inhalée est absorbé pour être ensuite oxydé rapidement en eau tritiée.
• L'eau tritiée se mêle rapidement à toute l'eau du corps^[15]. L'eau tritiée étant très comparable à de l'eau ordinaire, elle est bien plus radiotoxique que le gaz tritium^[16] parce qu'elle est assimilée par l'organisme. L'eau tritiée est éliminée par la transpiration, l'air expiré et l'excrétion urinaire avec une période de 10 jours. Les 3 % transformés en tritium organique sont éliminés avec une période de 40 jours.
• Le tritium piégé dans la matière organique est plus dangereux encore car moins rapidement éliminé (550 jours, durant lesquels il peut irradier l'intérieur du corps, soit 55 fois plus, que les 10 jours de séjour de l'eau tritiée) ^[17].

Quelle que soit la forme de l'apport en tritium, la plus grande partie du tritium a été éliminée en 1 mois et la quasi-totalité est éliminée en moins de 1 an. Sa période biologique est par conséquent très inférieure à sa période radioactive.

Les facteurs de doses restent cependant extrêmement faibles dans tous les cas :

• Tritium gazeux : 1,8.10^-15 Sv/Bq
• Eau tritiée : 1,8.10^-11 Sv/Bq
• OBT : 4,1.10^-11 Sv/Bq

Tritium dans l'eau potable

L'eau tritiée est la forme majoritaire de transfert du tritium dans l'environnement et d'exposition humaine. C'est pourquoi des traces de tritium sont recherchées dans l'eau potable.

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 0,1 mSv/an. Cette dose pourrait être atteinte chez l'adulte par la consommation quotidienne de deux litres d'eau tritiée à hauteur de 7800 Bq/l (valeur guide de l'OMS pour ce radioélément) ^[18]. Le gouvernement de l'Ontario (Canada) a recommandé que le maximum de tritium toléré dans l'eau potable passe de 7000 Bq/l à 20 Bq/l en 5 ans et qu'on vise une réduction plus importante^[15].

Par ailleurs, en France, le tritium est suivi comme indicateur de radioactivité : si la concentation en tritium dépasse le niveau de référence de 100 Bq/l, il est procédé à la recherche de la présence éventuelle de radionucléides artificiels. Ce niveau n'est par conséquent qu'une "référence de qualité" : le dépassement de cette valeur ne veut dire pas que l'eau est non potable^[19].

La pluie peut être une source de contamination directe des animaux, dont ceux d'élevage. Selon la CRIIRAD (1995), l'eau de pluie polluée par les tests nucléaires et par le tritium naturel est susceptible de contaminer les nappes phréatiques jusqu'à 4 Bq/l. Au delà, on peut suspecter qu'une autre source de tritium soit en cause, avec certitude au dessus de 7 Bq/l.

Par example, près de l'usine de retraitement de La Hague, la mer contient de 3 à 30 Bq/l malgré la forte capacité de dilution du tritium, soit 15 à 150 fois plus que la moyenne^[20]. En France, les teneurs des eaux de surface et de nappe dépassent rarement 10 Bq/l même si elles grimpent localement et ponctuellement jusqu'à 20 Bq/l^[21], voire plus (ie. près du site de Valduc, l'eau d'alimentation du site était en 1996 contaminée à des taux atteignant plusieurs dizaines de Bq/l, voire près de 100 Bq/l).

L'ensemble de cette contamination par des traces de tritium reste très en dessous de la limite donnée par l'OMS pour l'eau potable (de l'ordre de 10 000 Bq/l, soit 100 fois plus).

Mesure

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 aisément grâce à la scintillation liquide. Vers 1980 sont apparus des compteurs à très bas bruits de fond détectant le tritium à partir de 5 Bq/l. De nouveaux flacons de comptage mais aussi des «cocktails scintillants» spéciaux ont permis de le détecter à partir de 1 Bq/l^[22]. 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 par conséquent 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 plus léger). Cette technique permet d'accroitre les seuils d'analyse de 0,2 jusqu'à 0,02 Bq/l. Les échantillons de sols ou de tissus vivant sont congelés et si possible traités dans leurs récipents d'échantillonnages qui doivent être étanches.

Bibliographie

• Raskob, W ; Strack S, FZK-Autoren, U. A. Tritium in the food chain. Comparaison of predicted and observed behaviour. A. Re-emission from soil and vegetation. B. Formation of organically bound tritium in grain of spring wheat. Biomovs II Technical Report n° 13, Spet 96.
• Raskob, W ; Strack S, FZK-Autoren, U. A. Tritium in the food chain. Intercomparison of model predictions of contamination in soil, crops, milk and beef after a short exposure to ttitiated water vapour in air. Biomovs II technical Report n° 8 Sept 96
• Raskob, W ; Diabate S, Strack S, A new approch for modelling teh formation and translocation of organically bound tritium in accident consequence assessment codes Internat. Symp on Ionizing Radiation : Protection ot the natural Environment, Stockholm, S, May 20-24,1996

Notes et références

Voir aussi

Liens externes

• Fiche de synthèse du CEA sur la radiotoxicité du tritium.
• Guide pratique radioprotection du tritium
• Graphe de retombées de tritium liées aux essais nucléaires atmosphériques des années 1950-60, et idem pour le canada

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