Les lasers industriels


Simples, fiables, robustes et peu coûteux, les lasers sont des travailleurs de précision. On les retrouve dans de nombreuses applications industrielles : soudage, découpe, traitement de surface, santé...

Publié le 30 juin 2015


DES MICROLASERS

Lasers « puce », les micros
Les lasers « puces » (traduction du terme anglais microchip laser) sont des microlasers solides les plus simples et les plus compacts possible, avec une dimension typique de 0,5 mm3. Ils sont fabriqués en utilisant des procédés collectifs permettant de réaliser simultanément et sans aucun réglage plusieurs milliers de pièces. Ainsi, leur coût de fabrication peut être très faible. De plus, ils sont extrêmement fiables, robustes et simples à utiliser, sans aucune nécessité de réglage ou de maintenance. Le laser « puce » est pompé par une simple diode laser et se comporte comme un transformateur de lumière laser. Il permet d’obtenir un faisceau laser naturellement circulaire et peu divergent, monofréquence et de forte puissance de crête impulsionnelle, le rendant très utile pour de nombreuses applications comme :
*         la télémétrie laser (mesure de distance et de vitesse sans contact) ;

*         le micromarquage et la microdécoupe sur tous types de matériaux ;

*         les oscillateurs avant les amplificateurs des lasers de très forte puissance ;

*         la fabrication de lasers visibles (verts) compacts ;
*         la détection de gaz polluants.


DES LASERS POUR LE SOUDAGE ET LA DÉCOUPE
Ces lasers de forte puissance moyenne ont de multiples applications pour le travail des matériaux : trempe, soudure, perçage, ponçage, découpe, etc.
Le principe de soudage laser repose sur la fusion d’un point du matériau sur lequel le faisceau va se concentrer grâce au système optique. Après focalisation, son éclairement peut atteindre plus de 1 MW/cm2. Les densités d’énergie étant très importantes, il suffit de quelques microsecondes pour obtenir la fusion et la vaporisation du matériau à souder. Les lasers permettent la découpe de plaques d’acier inox jusqu’à 20 cm d’épaisseur.

Lasers CO2
Pour les lasers CO2, l’excitation moléculaire doit se faire avec de forts courants. L’émission résultante est très puissante. Cependant, ils nécessitent l’utilisation de sous-ensembles actifs volumineux (tubes à gaz, excitateurs…) et donc lourds. Cela est d’autant plus vrai que la puissance de sortie demandée est élevée (pour une application telle que l’usinage). Outre les travaux de soudage, ils sont utilisés pour décaper et découper des objets dans des environnements difficiles d’accès, sur des chantiers de démantèlement par exemple.
Caractéristiques d'un laser CO2
Mode de fonctionnement : continu
Puissance maximale en continu : de 500 W à 6kW selon machine et énergie
Amplificateur laser : mélange de dioxyde de carbone, d'azote et d'hélium
Faisceau infrarouge 10,6 µm
Poids d'un laser CO2 de forte puissance : plusieurs tonnes
Transport du faisceau par miroir


Voir aussi

*         Principales utilisations des lasers en fonction de leur puissance
Lasers YAG dopés au néodyme
Le faisceau d’un laser YAG peut être transporté par fibre optique (fibre de silice d’1 mm de diamètre ou moins) sur des longueurs de plusieurs mètres, ou dizaines de mètres, et pour des puissances moyennes allant jusqu’à 2 kW. Il peut aussi être transporté grâce à des miroirs ou des lentilles.

Caractéristiques d'un laser YAG
Mode de fonctionnement : continu ou impulsionnel
Durée de l'impulsion : 1 à 20 millisecondes
Fréquence de répétition : 1 à 1 000 Hz, selon la machine et l'énergie
Energie maximale par impulsion : 150 joules
Puissance moyenne maximale : 70 watts à 1,5 kilowatt selon machine
Puissance de crête maximale : 30 kilowatts
Amplificateur laser : grenat d'aluminium et d'yttrium dopé au néodyme
Faisceau infrarouge 10,6 µm
Poids d'un laser de puissance : plusieurs centaines de kilos


Guidage avec une fibre laser sur un fantôme en silicone et modélisation 3D de prostate, dans le cadre de recherches sur le diagnostic et traitement de cancer par laser. © P.Latron/Inserm-U703
Lasers à fibre
Apparus plus tardivement et actuellement en très forte croissance, les lasers à fibre apportent de nouveaux avantages en termes de fiabilité, compacité, facilité d’utilisation et consommation électrique. Ils offrent un rendement énergétique 10 fois supérieur aux lasers classiques, CO2 ou YAG, et la puissance qu’ils délivrent, leurs qualités spectrales et spatiales en font d’excellents candidats pour les applications dans les secteurs industriels, médicaux, des communications et scientifiques.

Caractéristiques d'un laser à fibre
Mode de fonctionnement : continu (ou impulsionnel)
Puissance moyenne maximale : 10kW
Amplificateur laser : fibre optique dopée
Faisceau infrarouge 1,07 mm
Poids d'un laser à fibre de puissance : plusieurs centaines de kilos

DES LASERS POUR LE TRAITEMENT DE SURFACE
Les lasers industriels impulsionnels peuvent aussi être utilisés pour modifier les propriétés de surface d’un matériau, par exemple pour en améliorer la résistance à la corrosion ou au frottement, sans pour autant en altérer les propriétés mécaniques massives. Ils se rencontrent en particulier dans l’industrie automobile, et leur domaine d’utilisation tend à s’étendre.
Ces lasers, grâce à leur durée d’impulsion comprise entre 10 et 200 nanosecondes, ont l’avantage de réaliser du micro-usinage de très grande précision pour une large gamme de matériaux, avec peu d’échauffement. Comparé à des méthodes classiques telles que la photolithographie, ils permettent de réduire le nombre d’étapes de fabrication, et leur facilité à modifier la géométrie des dispositifs à graver en font des atouts incontournables pour les laboratoires de microélectronique. Une autre application consiste à réaliser le décapage de surfaces par balayage d’un faisceau laser intense qui conduit à une ablation superficielle.

Ce procédé peut être utilisé pour le nettoyage de monuments, ou à plus petite échelle pour le décapage de pièces mécaniques de précision. Un dispositif original, nommé Aspilaser, est utilisé pour décaper automatiquement des murs, sans émettre ni poussière, ni odeur. Les surfaces sont abrasées sur une épaisseur de 0,1 mm seulement, limitant ainsi le volume des déchets. Jusqu’à présent considéré comme le domaine de prédilection des lasers Nd-YAG en impulsions, le marché du microusinage de précision s’ouvre dorénavant aux lasers à fibres impulsionnels.

Caractéristiques des lasers industriels impulsionnels
Mode de fonctionnement    impulsionnel
Durée de l'impulsion    quelques dizaines de nanosecondes
Fréquence de répétition    100 000 hertz (impulsions par seconde)
Energie laser par impulsion    1 millijoule
Puissance moyenne    50 W
Puissance de crête     10 kilowatts
Amplificateur laser    fibre optique dopée

DES APPLICATIONS INNOVANTES

L’analyse LIBS (Laser induced breakdown spectroscopy)

Cette analyse spectroscopique sur plasma induit par un laser permet de caractériser la composition chimique de la surface des matériaux (solides, liquides, gaz ou aérosols). Cette technique consiste à envoyer un faisceau laser sur le matériau pour créer un plasma, analyser sa signature spectrale et déterminer en temps réel la nature et la concentration des éléments présents. Les microsondes développées au CEA sont capables de réaliser une cartographie au micron près. Le champ d’applications est très large : du vieillissement des matériaux à l’exploration martienne. Le CEA a en effet adapté cette technologie pour la mission Mars science laboratory de la Nasa, en participant à la conception et au dimensionnement de l’instrument ChemCam, qui analyse depuis août 2012 le sol martien, dans un rayon de 7 mètres autour du robot Curiosity.

La technique Lidar (Light detection and ranging)
Cette technique s’appuie sur le principe des radars (dont l’acronyme « radio detection and ranging » signifie détection et positionnement par ondes radio). Elle permet de contrôler à distance la pollution de l’atmosphère par des particules. L’émission d’un faisceau laser vers la zone à étudier, puis l’analyse de sa rétrodiffusion déterminent la densité, la localisation, la nature et la géométrie des particules. La longueur d’onde utilisée (355 nm) est adaptée pour repérer les particules inférieures au micromètre, qui composent 99 % des aérosols de pollution. Cette technique a servi à l’étude de l’impact de la circulation automobile et à la surveillance de l’atmosphère dans des endroits confinés comme des gares ou le métro.

Impulsions femtosecondes pour la détection
Détecter à distance des explosifs ou autres produits dangereux, analyser rapidement des substances illicites ; c’est chose possible grâce aux lasers femtosecondes. Tout matériau, tout être humain, possède une signature térahertz qui lui est propre. D’où l’idée d’utiliser cette gamme pour identifier des substances explosives, ou distinguer de la cocaïne d’autres poudres… Pour générer de telles sources, dont la fréquence est comprise entre 1 et 100 THz, il faut combiner deux impulsions lasers de fréquences différentes. Pour l’instant étudiées en laboratoire, ces sources laser devront devenir plus compactes et plus intenses pour une utilisation grand-public. Une seconde technique s’apparente à la Libs (présentée ci-dessus). Grâce à des impulsions de moins de 100 femtosecondes et d’une puissance supérieure au térawatt, les mesures sont possibles à des distances de plusieurs centaines de mètres.

Des lasers pour la santé
En chirurgie, les lasers utilisés sont assez puissants. Ils peuvent brûler une partie endommagée à l’intérieur du corps de façon non-traumatique, être utilisés comme un bistouri, soigner des caries dentaires et des décollements de rétine. Les caractéristiques exceptionnelles d’ablation du laser UV émettant à 193 nm sont utilisées en chirurgie de la cornée, afin de traiter les myopies : par exemple, pour corriger d’une dioptrie, 1 μm (10-6 m) de la surface de la cornée est retirée. En médecine, les lasers sont utilisés en imagerie, radiothérapie et protonthérapie. La protonthérapie consiste à détruire une tumeur cancéreuse avec un faisceau de protons, de façon précise ; seule une zone très localisée est traitée, sans endommager les tissus alentour. Le projet Saphir, auquel participe le CEA, étudie la possibilité de générer par accélération laser des faisceaux de protons d’énergie suffisante pour le traitement de certaines pathologies.

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Positon

Propriétés générales
Classification    Antilepton
Composition    élémentaire
Famille    Fermion
Propriétés physiques
Masse    510,998 918 (44) keV/c²
(9,109 382 6(16)×10-31 kg)
Charge électrique    +1,60217653(14)×10-19 C
Charge de couleur    0
Spin    ½
Durée de vie    stable (comme l'électron)
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En physique des particules, le positon1,2,3 ou positron4 (anglicisme), encore appelé antiélectron par convention, est l'antiparticule associée à l'électron. Trouvée au xxe siècle, elle est la première antiparticule découverte. Le positon possède une charge électrique de +1 charge élémentaire (contre −1 pour l'électron), le même spin et la même masse que l'électron. Il est noté 0
+1e ou e+ ou β+5.

Description
La théorisation de cette particule fut provoquée par l'écriture par Paul Dirac, en 1928, d'une équation relativiste décrivant l'électron. Cette équation, appelée maintenant équation de Dirac, admet des résultats dont une part correspond à l'électron, alors qu'une autre, inverse, ne semblait pas, à l'époque, avoir de sens immédiat. En 1929, Dirac proposa la possibilité que cette part soit la description des protons, qui seraient donc les particules inverses des électrons6. Cette tentative d'explication fut abandonnée rapidement, et en 1931, Dirac proposa de considérer l'existence d'une nouvelle particule, un « anti-électron » de même masse que l’électron mais de charge opposée7.
En 1932, Carl David Anderson annonça les résultats de ses recherches sur les rayons cosmiques : ses photographies prises dans une chambre à brouillard montraient quantité d'électrons, ainsi que quelques traces qui semblaient correspondre à des particules proches des électrons, mais à la charge opposée. Des expérimentations en laboratoires permirent ensuite de découvrir ces positons.
En 1933, Jean Thibaud précise les caractéristiques physiques du positon. Il en mesure la charge et il parvient à observer pour la première fois l'annihilation du positon, avec production de photons de haute énergie, en usant de la technique de la trochoïde8.
Dans le vide, le positon est une particule stable. Mais en traversant la matière, quand un positon de basse énergie entre en collision avec un électron de basse énergie, les deux s'annihilent, c'est-à-dire que leur masse est convertie en énergie sous forme de deux photons gamma.
Un positon peut être le produit de désintégration d'un noyau radioactif. Il s'agit alors d'une désintégration β+.
Un positon peut être créé lors de l'interaction d'un photon d'énergie supérieure à 1,022 MeV avec un noyau atomique (2mec2 = 2 × 0,511 MeV, où me est la masse d'un électron et c la vitesse de la lumière). Ce processus s'appelle production de paires (voir Rayon gamma), car deux particules (positon et électron) sont créées par l'énergie du photon. Les premiers positons furent observés par ce processus lorsque des rayons gamma cosmiques s'enfoncent dans l'atmosphère. On a ensuite détecté (en 2009) des positons émis autour d'un avion en présence de foudre dans un orage9.

Production
Des positons peuvent être produits lors de désintégrations β+10 (par exemple lors des désintégrations de 13N ou 22Na) ou par création de paires électron-positon10 conséquemment à une interaction entre un photon de haute énergie et un noyau atomique. Il est ensuite possible de ralentir ces positons à l'aide d'un modérateur : un monocristal de cuivre ou de tungstène ou du néon solide. Le modérateur à néon solide est particulièrement efficace pour les positons issus de 22Na. Lorsque les positons ont été modérés, ils peuvent être stockés dans un piège de Penning11.

Applications
Imagerie médicale[modifier | modifier le code]
Article détaillé : Tomographie par émission de positons.
La tomographie par émission de positons est une technique d'imagerie médicale qui consiste à faire absorber ou injecter au patient un médicament radiopharmaceutique ou un radiotraceur dont l'isotope radioactif est un émetteur de rayonnement β+, c'est-à-dire un émetteur de positons. Ces positons s'annihilent aussitôt, dès qu'ils rencontrent les électrons des tissus environnants, en deux photons gamma. La détection de ces photons permet de localiser le lieu de leur émission et la concentration du traceur en chaque point des organes.

Physique des particules[modifier | modifier le code]
Article détaillé : Collisionneur.
Un collisionneur électrons-positons est un accélérateur de particules qui accélère simultanément deux faisceaux de particules en sens inverses, l'un d'électrons, l'autre de positons, afin de les faire entrer en collision frontale. Lors de ces collisions de haute énergie, les électrons et les positons s'annihilent (car les uns sont les antiparticules des autres), ce qui libère une énergie capable de créer de "nouvelles" particules.

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NUCLAIRE

Le choix stratégique du cycle fermé


La France a fait le choix de recycler les matières valorisables des combustibles usés (uranium et plutonium) et d’optimiser la gestion des déchets. Les activités du CEA s’inscrivent dans ce contexte, en soutien aux industriels et à l’Andra.

PUBLIÉ LE 28 JUILLET 2021
       

La matière qui entre et sort des réacteurs nucléaires actuels
Pour bien appréhender les enjeux du cycle du combustible, il faut faire le bilan de ce qui entre et sort des réacteurs nucléaires actuels, les réacteurs à eau sous pression (REP). Le combustible neuf, à base d’oxyde d’uranium (UOx), est fabriqué à partir d’uranium naturel issu des mines qui, après purification et enrichissement, contient 4 % d’uranium 235 (235U) fissile [1], le reste étant de l’uranium 238 (238U). En sortie de réacteur, il reste l’essentiel de l’238U, une partie de l’235U initial et des produits de fission hautement radioactifs ayant une durée de vie de l’ordre du siècle. À cela s’ajoutent 1 % de plutonium et 0,1 % d’actinides mineurs qui ont des durées de vie s’étendant sur des dizaines de millénaires.

[1] Le noyau d’un atome fissile peut se scinder en libérant une grande quantité d’énergie sous un flux de neutrons. L’235U est le seul élément fissile naturel. A contrario, l’238U, de loin le plus abondant, n’est pas fissile mais fertile : il peut donner des éléments fissiles après capture de neutrons.


Le choix du recyclage
La France a fait le choix stratégique du recyclage qui consiste à extraire l’uranium et le plutonium du combustible usé pour les recycler dans de nouveaux assemblages de combustible tels que le MOX (Mixed OXides). Seuls les produits de fission et les actinides mineurs, considérés comme des déchets, sont vitrifiés et stockés.

LES BÉNÉFICES DU RECYCLAGE
La réutilisation des matières valorisables des combustibles déchargés des réacteurs nucléaires (uranium et plutonium) permet d’économiser les ressources naturelles en uranium. Cette démarche minimise également la quantité des déchets de haute activité qui doivent faire l’objet d’un traitement de vitrification.

Du mono-recyclage à la fermeture du cycle
Une stratégie en trois étapes a été définie dans la Programmation Pluriannuelle de l’Energie (PPE) parue en avril 2020. Le CEA contribue, en soutien aux industriels de la filière nucléaire, à l’ensemble de ces étapes.

A COURT TERME : L’UTILISATION DU MOX DANS TOUS LES REP
La stratégie consiste à étendre les possibilités techniques d’utilisation des combustibles MOX dans des réacteurs actuels d’EDF de 1 300 MWe. En effet, jusqu’à présent, les combustibles MOX ne sont utilisés que dans des réacteurs de 900 MWe, dont la PPE prévoit la fermeture pour une douzaine d’entre eux d’ici 2035. Les combustibles MOX, élaborés à partir du plutonium extrait des combustibles usés et de l’uranium appauvri, permettent le mono-recyclage, première étape visant à la fois à tirer le meilleur parti des ressources dans les réacteurs actuels et à minimiser le volume des déchets.

A MOYEN TERME : DU MONO AU MULTI-RECYCLAGE
Un objectif d’industrialisation du multi-recyclage de l’uranium et du plutonium dans les réacteurs à eau sous pression en 2040 est indiqué dans la PPE, sous réserve d’une validation de sa faisabilité technico-économique. Des études sont ainsi conduites par le CEA, Orano, EDF et Framatome pour mesurer la performance et la compétitivité de ce procédé. Grâce à ce multi-recyclage en REP, il serait possible de réutiliser intégralement l’uranium et le plutonium issus du traitement des combustibles UOx et MOX et de diminuer encore la consommation d’uranium naturel.

A LONG TERME : LA FERMETURE COMPLÈTE DU CYCLE DU COMBUSTIBLE
La stratégie française s’inscrit dans la perspective d’une fermeture complète du cycle du combustible avec la mise en œuvre du multi-recyclage au moyen de réacteurs nucléaires à neutrons rapides de 4e génération (RNR) dont la mise en œuvre pourrait intervenir dans la deuxième moitié du 21e siècle.

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Les applications de la radioactivité


La radioactivité est un moyen extraordinaire pour explorer l'être humain et l'environnement. Elle est également indispensable pour l'industrie, l'art et l'espace.

Publié le 17 décembre 2018

LES TRACEURS RADIOACTIFS
Les propriétés chimiques d'un isotope radioactif et d'un isotope stable du même élément chimique sont identiques ; la seule différence est que le radioisotope est instable. Cette instabilité provoque l'émission de rayonnements qu'il suffit de détecter pour suivre sa trace et localiser la molécule marquée.
Le marquage peut être effectué de deux manières :
*         en remplaçant un atome stable d'une molécule par un de ses isotopes radioactifs
*         en accrochant à une molécule un atome supplémentaire, radioactif.

Le radiotraceur est choisi en fonction de sa période radioactive, qui doit être suffisamment courte pour que la masse de traceur soit très faible mais corresponde à une activité détectable. Il est également choisi pour la nature et l'énergie des rayonnements émis.

POUR LA SANTÉ
Les possibilités offertes par les applications des traceurs radioactifs en recherche biologique et en médecine ont été l’un des facteurs essentiels du progrès médical au cours du XXe siècle. Elles ont permis l’avènement de la biologie moléculaire avec la détermination du code génétique, la caractérisation des réactions chimiques assurant le fonctionnement de la cellule ou encore la compréhension de ses mécanismes énergétiques. Elles ont également contribué à élargir les possibilités de diagnostic pour mieux détecter et guérir les maladies : c’est la médecine nucléaire.

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La méthode de marquage permet de suivre l’action d’une molécule (médicament…) dans un milieu donné (in vitro) ou dans l’organisme (in vivo) grâce à un traceur radioactif. Celui-ci est utilisé en très petites quantités, car les appareils de détection sont très sensibles. Le plus souvent, il est produit dans un cyclotron, la synthèse est faite en enceinte blindée, avant que la molécule marquée soit injectée au patient. Le traceur induit des doses dont les effets sont peu dangereux pour la santé si on les compare aux bénéfices de l’examen (voir dossier multimédia L’homme et les rayonnements). Comme leur période est courte (de quelques minutes à quelques jours), ils disparaissent rapidement de notre corps et de l'environnement.
Utiliser des molécules marquées avec un radionucléide émetteur gamma spécifique du métabolisme d’un organe ou d’une tumeur permet, grâce à une gamma caméra, de réaliser une image des sites où elles se sont fixées. Cette image fonctionnelle sert à vérifier le fonctionnement de l’organe ou localiser une tumeur et ses métastases éventuelles.

Quelques exemples :
*         Le sucre marqué au fluor 18, émetteur bêta plus, favorise la détection des tumeurs (qui se développent vite et dont les cellules sont très avides de sucre) par un examen appelé « PET Scan » (TEP en français, pour Tomographie par émission de positons) ;
*         Les zones de dysfonctionnement du cœur peuvent apparaître en réalisant l’image de la répartition d’une injection de thallium 201 lors d’une scintigraphie ;
*         L’injection d’une petite quantité d’iode 123 permet de faire une scintigraphie de la thyroïde (qui a une très grande affinité pour l’iode, stable ou radioactif).

La curiethérapie est également une application médicale des radionucléides. Cette technique consiste à disposer plus ou moins longtemps une source radioactive à proximité de tumeurs cancéreuses pour les irradier et les détruire, sans trop abîmer les zones saines périphériques. Il peut s’agir d’un implant chirurgical (bille d’iode 125 en porcelaine au contact de la prostate) ou d’un fil (d’iridium 192 par exemple) guidé dans un cathéter dont l’extrémité conduit au site tumoral à traiter.
Lorsque le traitement d'un cancer n’est pas possible par curiethérapie, les médecins ont recours à la radiothérapie externe. La source de rayonnements irradie la tumeur depuis l’extérieur de l’organisme. Aujourd’hui, les très fortes sources radioactives ne sont plus utilisées dans cette technique qui met plutôt en œuvre des accélérateurs d’électrons. Les médecins peuvent également utiliser la radiothérapie interne vectorisée (ou radiothérapie métabolique) en injectant des radioéléments de fortes activités qui viennent irradier un organe ciblé au plus près. Par exemple, l’injection d’une grande quantité d’iode 131 permet l’irradiation de la thyroïde.

Les chercheurs utilisent aussi la médecine nucléaire pour comprendre le fonctionnement des organes. Par exemple, les techniques mises en œuvre pour l’étude du cerveau révèlent directement les zones de celui-ci impliquées dans la vision, la mémorisation, l’apprentissage des langues ou le calcul mental.

POUR L’ÉTUDE DE L’ENVIRONNEMENT
La mesure de l’absorption du rayonnement émis par une source radioactive indique la densité ou l’épaisseur du milieu traversé entre la source et un détecteur. Grâce à cette jauge, il est possible de suivre en continu la teneur de matières en suspension dans l’eau d’un fleuve comme le Rhône, et ainsi réguler la purge de son barrage de façon à ne pas dépasser le niveau qui mettrait en péril la faune et la flore. Marquer un sédiment ou un polluant avec un radionucléide de période courte permet de le suivre à la trace. L’objectif : optimiser les tracés de routes ou d’autoroutes pour minimiser les risques de pollution, ou contrôler si les sites enfouis de stockage des déchets n’ont pas d’infiltration.

TP "Utilisation d'un appareil de gammagraphie GAM 80" à l’Institut national des sciences et techniques nucléaires de Cherbourg-Octeville. © F.Rhodes/CEA


Les chercheurs utilisent aussi le déplacement de radionucléides naturels ou artificiels pour suivre le déplacement de masses d’air, de masses d’eau… et analyser l’érosion des sols. Dans ce cas, ils recherchent des traces de césium 137, répandu dans l’atmosphère lors des essais des bombes thermonucléaires ou de l’accident de Tchernobyl et donc facilement datables, ou de plomb 210, descendant naturel du radon 222, tous deux traceurs du phénomène de sédimentation. Comme le plomb et le césium sont fortement retenus par les fines particules du sol, suivre leurs teneurs grâce aux rayonnements qu’ils émettent revient à suivre les mouvements de ces particules, c’est-à-dire l’érosion et la sédimentation.

DANS L'INDUSTRIE
L’industrie utilise de nombreux équipements opaques et produit de nombreux objets. Les rayonnements issus de certains radionucléides servent à mesurer en continu leur épaisseur ou leur densité : plus le nombre de rayonnements qui traversent l’équipement ou l’objet est faible, plus celui-ci est épais ou dense. L’étude porte en particulier sur le comportement de produits dans des conteneurs ou des tuyaux. Les industries concernées sont multiples : chimie, pétrole et pétrochimie, fabrication de ciment, d’engrais, de pâte à papier, métallurgie, travaux publics…
Lorsque les pièces à radiographier sont trop épaisses et denses, les générateurs de rayons X ne sont plus en mesure d’être utilisés. Les rayonnements gamma, qui sont plus énergétiques, émis par de fortes sources radioactives, permettent alors de réaliser des radiographies appelées gammagraphies.
Ces mêmes rayonnements peuvent stériliser des produits médicaux ou alimentaires ou allonger la durée de conservation de certains produits agroalimentaires. Les micro-organismes sont éliminés par des doses suffisantes pour les tuer, sans dégrader le produit lui-même. Les rayonnements émis par de fortes sources radioactives provoquent des réactions chimiques dans le matériau irradié ; la qualité des produits industriels tels que les isolants des câbles électriques, les gaines thermorétractables, les prothèses, les revêtements en téflon, les parquets en alliages de bois et de plastique, les pneus... sont ainsi améliorés.
Pour finir, les rayonnements issus de sources radioactives peuvent ioniser profondément les atomes d’une matière à caractériser. Les atomes irradiés retrouvent rapidement leur état d’origine en émettant des rayonnements caractéristiques. En mesurant l’énergie de ces rayonnements secondaires, il est possible de remonter à l’élément qui les a émis. Cette technique d’analyse élémentaire permet de connaître la composition de matériaux et produits de l’industrie.

AU SERVICE DE L'ART

Préparation du contrôle gammagraphique de la Vénus de Milo au musée du Louvre. © C.Dupont/CEA


La gammagraphie est utilisée pour mettre en évidence les consolidations des statues et situer les inserts métalliques et cavités. Des mesures indispensables avant tout déplacement de ces œuvres d'art !

Les rayonnements sont aussi utiles lors d'opérations de conservation et restauration d'objets en matériaux organiques (bois, cuir, fibres…). Comme dans l'industrie, la radiostérilisation débarrasse les statues en bois de tous les insectes xylophages qui pourraient y avoir fait leur nid. De même, les objets trop fragilisés peuvent être consolidés par imprégnation d'une résine, qui sera ensuite greffée au bois par rayonnement gamma.

Les sources radioactives servent aussi à l’analyse élémentaire des peintures de tableaux afin de remonter à la composition des pigments utilisés par l’artiste, expertiser des œuvres, voire détecter des copies de faussaires.

AU SERVICE DE L'ESPACE
Dans les explorations lointaines, la lumière du Soleil est trop faible pour pouvoir alimenter les panneaux solaires d’un vaisseau spatial.
Il faut alors utiliser un générateur d’électricité embarqué. Une source radioactive, comportant des radionucléides émetteurs alpha de très grande activité, dégage une chaleur constante, convertie en électricité par un thermocouple. Ces générateurs RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator) utilisent principalement du plutonium 238.

Des sources radioactives sont également utiles pour l’analyse élémentaire des sols à bord des engins déposés sur la Lune, les planètes et les comètes.

LA DATATION
Certains radionucléides naturels constituent de véritables chronomètres pour remonter dans le temps. Des méthodes de datation ont été mises au point, fondées sur la décroissance de la radioactivité contenue dans les objets ou vestiges étudiés. On peut ainsi remonter jusqu’à des dizaines de milliers d’années dans le passé avec le carbone 14, voire bien davantage avec d’autres méthodes telles que la thermoluminescence ou la méthode uraniumthorium.

Les travaux de recherche sur l’évolution du climat reposent sur le carottage et l’analyse physicochimique de multiples archives naturelles : glaces polaires, sédiments, stalagmites… Les scientifiques utilisent la datation potassium-argon pour les roches et la datation uranium-thorium pour les dépôts calcaires.

La datation au Carbone 14

Le spectromètre de masse de l'accélérateur Artémis permet de dater la mort d’un échantillon organique (bois, os, charbons de bois, foraminifères, bouquets séchés, tissus…) jusqu’à 45 000 ans avant la mesure. En 15 ans, 47 000 échantillons ont ainsi été datés. © L. Godart/CEA
La datation au carbone 14 permet d’aborder l’histoire de l’Homme et de son environnement sur une période de 5 000 à 50 000 ans avant aujourd’hui. Le carbone est très répandu dans notre environnement ; il entre en particulier dans la constitution de la molécule de dioxyde de carbone présente dans l’atmosphère. Ce carbone est constitué principalement de carbone 12. Cependant, du fait de l’interaction permanente des rayonnements cosmiques dans l’atmosphère, une petite proportion assez constante de carbone 14 radioactif se trouve à l’état naturel.
Le rapport carbone14/carbone12 est équilibré entre l’atmosphère et le monde du vivant (animal, végétal…) durant toute la vie grâce aux échanges nécessaires à celle-ci (respiration, photosynthèse et alimentation). Après la mort d’un organisme, le carbone 14 n’est plus renouvelé par ces échanges. Il se désintègre petit à petit et sa proportion diminue. La mesure du rapport carbone 14/carbone 12 permet donc de dater la mort : moins il reste de carbone 14 dans le carbone du fossile, plus la mort est ancienne.

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