Ordres de grandeur et unités

On a beaucoup parlé ces dernières semaines du rejet dans l'océan pacifique des stocks d'eau contaminés par la catastrophe de Fukushima. Quand on écoute les informations on entend des chiffres énormes comme  1 million de m³ d'eau contaminé avec une radioactivité de 140000Bq/L  mais au final :

quelle quantité de Tritium va être rejeté dans l'océan pacifique à Fukushima et qu'est ce que ça veut dire en réalité ?

 Les chiffres seuls ne permettent pas de se représenter le problème, il faut pouvoir comparer et pour cela les sciences  nous donnent deux outils : les ordres de grandeurs  et  les unités.  

 

article de presse  avant le rejet dans l'océan d'eau
contaminé au tritium par la catastrophe de Fukushima
source : lemonde.fr

 

Quand on veut comprendre des données chiffrées il faut d'abord les convertir dans des unités comparables et si possible dans des unités qui aient un sens physique intuitif (volume, masse, ...)  . Ensuite on peut faire des calculs en sachant qu'il faut se garder une marge d'erreur car chaque donnée a une imprécision qui peut s'amplifier quand on va la multiplier par la suivante. Donc il faut se concentrer sur l'ordre de grandeur dans les calculs, en gros arrondir à la puissance de 10 la plus proche plutôt que de pinailler sur la 8e décimale. Appliquons donc cette méthode à notre problème. Mais d'abord le tritium qu'est ce que c'est ?

Le tritium

C'est un atome d'hydrogène mais  un peu spécial. Le noyau de l'hydrogène usuel contient  1 proton, mais parfois il y a en plus un neutron et dans ce cas on parle de deutérium. Hé bien le tritium est un atome d'hydrogène dont le noyau est composé de 1 proton et 2 neutrons. Contrairement au deutérium ce noyau à 3 composants n'est pas  très stable, il est donc radioactif et 50% d'un échantillon de tritium se désintègre en T=12.5 ans.  On peut tirer de tout ça qu'un atome de Tritium pèse environ 3 fois le poids d'un proton ( u = unité de masse atomique unifiée quasi égale à celle du neutron) soit 3*1.66 *10^(-27) kg et que pour avoir 1bq de radioactivité, soit  1 désintégration d'atome de Tritium par seconde, il faut ldeux fois plus d'atomes que de secondes dans la période radioactive t= 12.5 ans soit 

n= 2*12.5*365*24*3600=7.9* 10^8 atomes  

en fait  en moyenne c'est plutôt  sqrt(2)*t (voir https://fr.wikipedia.org/wiki/P%C3%A9riode_radioactive ) mais au final ça donne le même ordre de grandeur.

Avec ces informations on peut maintenant calculer la quantité de tritium rejetée à partir des données entendues aux informations. Si on a 1 million de m^3 d'eau (donc 1 milliard de litres) avec une radioactivité du Tritium de 140000Bq/L ça veut dire qu'on a 140000*n atome de Tritium dans un litre d'eau N= 140 000* 10^9*n=1.1*10^23 atomes de tritium qui vont être rejeté dans l'océan. En masse ça fait donc 5.5*10^(-4) kg  donc moins d'un gramme.

beaucoup ou peu ?

A quoi peut on comparer ce chiffre de un gramme? Sans comparaison impossible de savoir si c'est beaucoup ou peu. Le tritium étant radioactif il disparaît peu à peu, si vous en aviez 1kg, dans 12.5 ans vous en auriez seulement 0.5kg , puis 0.25kg au bout de 25 ans ... mais à chaque instant du tritium se crée naturellement, dans la haute atmosphère lorsque des atomes d'hydrogène (ou plutôt de deutérium) sont percutés par des rayons cosmiques. La quantité de tritium sur Terre dépend du taux auquel il se crée et de la vitesse de sa destruction radioactive (la période de 12.5 ans). On estime que la quantité totale de tritium naturel sur terre est au total de 3.6Kg, réparti  essentiellement dans l'atmosphère et surtout les océans. Ce  chiffre  de 3.6Kg parait ridiculement petit quand on pense à la masse totale de la Terre (environ 6*10^24Kg) permet de penser que le rejet de 1 gramme supplémentaire est un risque très mesuré.

Quand je dis plus haut "on estime" c'est par ce qu'on a jamais pu mesurer la quantité naturelle de tritium sur Terre. Non par impossibilité technique (il suffit de mesure des échantillons d'air et d'eau pour extrapoler) mais par ce qu'on a commencé à le mesurer dans les années 50, donc après l'explosion des premières bombes atomiques qui elles aussi produisent du tritium. Si on fait la somme de tous les essais nucléaires réalisés depuis Trinity en Juillet 1945 on estime que 650Kg de tritium on été ainsi créé par l'homme !!!!  C'est donc 200 fois plus que la quantité naturelle de tritium, ça donne le vertige sur l'impact écologique  du nucléaire militaire.

Si on considère que tout ce tritium a été produit en 1 fois il y a 75 ans on aurait que le tritium restant aujourd'hui représenterait 650/2^6 =10kg, le calcul est plus compliqué puisque les essais nucléaires se sont étalés dans le temps mais la quantité de tritium Terrestre d'origine humaine est estimée aujourd'hui à 65kg, soit environ 20 fois plus que celui d'origine naturelle! Maintenant si vous comparez le rejet de  1 gramme de tritium de Fukushima  avec ces 65Kg dus aux essais nucléaires vous comprendrez qu'on se focalise certainement trop sur Fukushima et pas assez sur la vraie source du problème.

 Conclusion

En préparant ce billet j'ai pu glaner quelques chiffres et informations (principalement sur wikipédia ) qui mettent les choses en perspective. L'eau récupérée après la catastrophe de Fukushima a drainé un grand nombre de particules radioactives qui ont été patiemment filtrées lors des 12 dernières années pour être retirée de l'eau contaminée. Sur les 63 type d'atomes radioactifs 62 ont été totalement récupérés, seul un n'a pu être extrait : c'est le tritium puisqu'il s'intègre à l'eau (formule H2O) en remplaçant un des atomes d'hydrogène de la molécule. C'est pour ça qu'il a été envisagé de rejeter cette eau en mer, comme c'est fait couramment à la Hague en France  (moins d'un micro-gramme /an rejeté en mer). Les activité du nucléaire civil et militaire en France produisent au plus 1 gramme de Tritium par an pour une cinquantaine de réacteurs et un arsenal nucléaire conséquent.