Vous avez dit faible dose ? III. Le cas du plutonium 239

Le plutonium 239 est un radioélément artificiel d'une période radioactive de l'ordre de 24400 ans. Son activité spécifique s'élève à 2,27E9 Bq/gr (6,13E-2 Ci/gr) et sa constante de désintégration s^-1 (λ) est de 9,008E-13. Son taux de désintégration par jour est de 1-EXP(24*60*60*-9,01E-13) = 0,0000078%, par mois de 0,000233% et par an de 0,002841%. L'élément emploiera autour de 243169 ans pour désintégrer 99,90% de ces atomes et les transformer en Uranium 235.   Métal lourd, il a une densité de 19,84 gr/cm³.

Il désintègre en mode α en expulsant de son coeur à la vitesse de 20000 km/s un projectile sub-atomique de la taille d'un noyau d'helium. Cette micro-bille α faite de deux neutrons et deux protons accolés freinera sur une très courte distance par télescopage avec les atomes du milieu traversé. Chacune de ses particules α déploie une énergie ionisante de 5,243 MeV, soit de 5,243 MeV * 1,60209E-6 Erg par MeV = 8,3998E-6 Erg. Cette énergie est en mesure de donner lieu durant son court et brutal cheminement à environ 374 mille ionisations; en admettant qu'une ionisation coûte 14 électronVolt. Trop grosses pour se faufiler dans la matière sans en percuter à très bref intervalles les atomes ambiants, les particules α ne franchissent que 0,05 millimètre (50 micromètres) dans la matière biologique (ou dans l'eau).

Immobilisée dans les tissus vivants, une poussière fine de tout radio-élément α dissipe ainsi l'énergie ionisante de ses radiations émises dans toutes les directions dans une minuscule sphère ayant un rayon de 50 microns égal au trajet maximal dans la chair de ses rayonnements α. Une telle sphère de chair pèse pour autant ce poids infinitésimal de 523,6 ngr (4/3 * Pi * (50 * 0,0001^3)); 1 cm³ de chair pesant 1 gr.

Etude de cas d'une poussière fine de plutonium 239 bloquée dans les tissus: une particule radioactive interagit avec la matière biologique comme un véhicule fou sans frein interagit avec la foule de piétons qui l'arrête.

Une poussière fine de plutonium 239 de 1 micron de diamètre a un volume de  4/3 * Pi * (0,50 * 0,0001 ^3) = 5,24E-13 cm³, un poids de 10,39 pgr (5,24E-13 cm³ * 19,84 gr/cm³), contient 2,62E10 atomes et présente une activité de 2,358E-2 Bq. (1,039E-11 gr * 2,270E9 Bq/gr = 23,58 mBq). En 1 an cette particule désintègre 2,62E10 * 1-(Exp(31536000*-9,008E-13)) = 743572 fois. Elle est pour autant en théorie capable de provoquer plus de 278 milliards d'ionisations en une année dans une centaine de cellules vivantes. En cas d'incorporation et de fixation cette poussière fine radioactive dépose ainsi dans la microscopique boule de chair atteinte 7,44E5 Bq * 5,243 MeV * 1,60209E-6 Erg par MeV / 5,236E-7 gr = 11,9 millions de Erg (1,1929 Joule -1 Erg = 1E-7 Joule-) soit 119286,5 RAD puisque 1 Rad équivaut à 100 Erg/gr. Compte tenu enfin du fait que les particules α ont une de efficacité biologique relative (EBR) de 10, le dommage effectif subi est de 1192865 REM (RAD * EBR = REM), à savoir de 11928,7 Sievert.  Vous avez dit faible dose ?


PS Nous avons ici corrigé une coquille présente dans la précédente version de ce texte. Le facteur de convertion des MeV en Erg était incorrect et, optimiste...,  réduisait d'un facteur 10 les doses aborbées... 

http://users.skynet.be/mauriceandre/enchocolate4.htm 

Tamplin, A.R., Cochran T.B., Radiation Standards for Hot Particles, National Resources Defense Council Report, Washington D.C, USA, 1974.

http://docs.nrdc.org/nuclear/files/nuc_74021401a_0.pdf

Page 15.

The unique form of tissue irradiation displayed by insoluble particles of Pu-239 occurs because, when Pu-239 decays, it emits an alpha particle with an energy of 5.1 MeV. This particle has a range (produces biological damage) of only some 40-45 u (0.004 cm) in human tissue. In other words, a Pu-239 particle in tissue will only irradiate a volume of tissue enclosed in a sphere of 45 u radius. As one moves inward from the surface of this sphere, the radiation intensity increases geometrically. About half of the alpha particle energy is dissipated at 20 u (that is, with a volume that is 1/8 the total volume). This means that the average dose delivered in the first 20 u is 8 times that delivered in the remaining 20 u.

http://docs.nrdc.org/nuclear/files/nuc_75110101A_12.pdf

The "hot particle hypothesis" is relatively simple.

Qualitatively, the hypothesis is : When a critical tissue mass is irradiated at a sufficiently high dose, the probability of tumor production is high.

A corollary to this is : When a critical tissue mass in the lung is irradiated by an immobile particle of sufficient alpha activity the probability of a lesion developing approaches unity, and the probability of this lesion developing into a tumor is high .