Césium 137

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  Diagramme présentant les retombées des 10 principaux essais nucléaires qui ont le plus exposés la population nord américaine au césium 137.

C’est l'un des nombreux produits de fission de l'uranium et sans doute le plus connu pour avoir été utilisé dans les études hydrologiques et écologiques à la suite d'une contamination générale de l'atmosphère induite, à partir de 1945, par l'utilisation des bombes atomiques et des essais nucléaires (puis l'accident de Tchernobyl), et, dans une moindre mesure, à cause des rejets de centrales nucléaires ou de sites de retraitement, d'entreposage nucléaire (provisoire) ou de stockage durable des déchets radioactifs, etc.

Son suivi a par exemple permis de mesurer à quelle vitesse l'eau des nappes se renouvelait, la cinétique environnementale du césium (notamment dans la chaîne alimentaire) ou si une grotte était isolée du monde extérieur ou non.

Quand il est pur, il se présente comme un métal alcalin argent-doré. Son point de fusion est assez proche de la température ambiante (CNTP) pour qu'il soit possible de l'obtenir à l'état liquide à cette température grâce à la surfusion (comme pour le gallium et rubidium)

Un gramme de césium 137 pur présente une radioactivité de 3,204 TBq. Le césium 137 se désintègre en baryum 137m, métastable (de courte durée produit de la dégradation), puis en baryum 137 stable non radioactif.

Dans l'environnement, on le trouve rarement seul. Les déchets radioactifs, ou les retombées d'essais nucléaires atmosphériques ou de l'accident de Tchernobyl ainsi que de celui de la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi peuvent également contenir du césium 135 (à très longue période radioactive) et du césium 134 (période de 2 ans). Les isotopes 134 et 137 sont initialement présents à parité dans les produits de fission libérés à ces occasions[3], mais la décroissance plus rapide du césium 134 fait que le césium 137 (demi-vie de 30 ans) représente rapidement l'essentiel des formes du césium présentes.

Schéma de désintégration du césium 137.

Dans 94,6 % des cas, il donne l’isomère ^137mBa du baryum 137 par désintégration β⁻ avec une énergie de désintégration de 512 keV et une période radioactive de 30,08 ans, lequel retombe à son état fondamental par transition isomérique émettant un rayonnement γ de 661,7 keV avec une période de 2,552 min :

137
55Cs ${\displaystyle \mathrm {\xrightarrow[{30,15\ ans}]{\beta ^{-}\ 512,0\ keV}} }$ 137m
56Ba ${\displaystyle \mathrm {\xrightarrow[{2,552\ min}]{\gamma \ 661,7\ keV}} }$ 137
56Ba.

Dans les 5,4 % des cas restants, il se désintègre directement en ¹³⁷Ba avec une énergie de désintégration de 1 174 keV.

Le rayonnement γ émis par le ^137mBa peut être utilisé à des fins médicales ou industrielles, par exemple pour l’irradiation des aliments, mais le césium 137 n’est en fait que très peu utilisé en raison de son instabilité chimique bien plus grande que celle du cobalt 60, isotope bien meilleur pour ce type d’applications car chimiquement plus simple à contrôler et émettant un rayonnement plus puissant. On le trouve dans certains appareils de mesure de densité ou d’humidité, des débitmètres et divers détecteurs. En revanche il est très utilisé pour la datation de vins élaborés après 1952[alpha 1], le rayonnement γ émis permettant d'effectuer des mesures sans avoir à ouvrir la bouteille[4] - [5].

Le césium 137 est facilement mesuré dans l'environnement par spectrométrie gamma à partir de la raie d'émission gamma de son fils le ^137mBa

C’est un produit de fission de l’uranium et, comme tel, des quantités plus ou moins importantes de cet isotope ont été relâchées dans l’atmosphère d'abord dans les années 1940 et 1950 lors des essais nucléaires à l’air libre, puis lors d’accidents nucléaires (Voir la Liste des accidents nucléaires). Les dernières contaminations générales ou importantes de la biosphère ont été induites par la catastrophe de Tchernobyl, le 26 avril 1986, qui reste aujourd’hui la principale contamination radioactive de la zone interdite et de certaines zones contaminées par le passage du nuage, puis par la catastrophe de Fukushima. La contamination des organismes végétaux, fongiques, animaux et humains se fait via l'eau, l'air et le sol, et chez l'homme via l'alimentation (nourriture, boisson), la respiration ou le contact avec des produits contaminés. Le gibier, les baies sauvages, les champignons sauvages, les produits laitiers et certaines épices, condiments ou plante médicinales sont aussi des sources possibles[6] - [7].

Normes : elles ont varié selon les pays, les époques et les produits (plus sévères pour le lait que la viande, car le lait est davantage consommé par les enfants, qui sont plus vulnérables au césium 134 ou 137). À titre d'exemple, pour la viande :

• 600 Bq/kg est la norme européenne actuellement en vigueur[8] à ne pas dépasser pour la venaison et la viande d'animaux d'élevage ;
• 500 Bq/kg est la norme pour le Japon[9];
• 3 700 Bq/kg est la norme, beaucoup plus laxiste, édictée en URSS à la suite de l'accident de Tchernobyl[10] avant d'être redescendue à 740 Bq/kg en Russie en 1990[10];
• 592 Bq/kg est la norme actuelle pour les pommes de terre et la viande en Biélorussie, décidée par le gouvernement, une fois la république devenue indépendante.

Sur le long terme, la contamination se fait surtout par ingestion et absorption gastro-intestinale, mais en cas d'inhalation il y a aussi un passage direct dans le sang[11].

Le césium est ensuite transporté par le sang et se distribue de la même manière que son analogue chimique, le potassium, principalement dans les muscles[11]. Le césium est absorbé par les cellules animales et végétales en compétition avec le potassium, mais le césium n'a pas de fonction bénéfique connue; cependant, à des concentrations élevées, il peut entraîner une toxicité chez les plantes considérées comme des inhibiteurs de croissance. En effet, au cours de leur évolution, les mammifères ont commencé à distinguer le césium non radioactif inutile du potassium, qui est essentiel dans la pompe Na + / K + des membranes cellulaires animales. Ceci est clairement visible dans la faible absorption et sélectivité du césium dans le foie et les fœtus dans les autoradiographies de Nelson[12]. Le corps humain excrète le césium par le rein (86%) et l'intestin (14%) via les glandes salivaires et le pancréas exocrine qui sont de puissants accumulateurs de césium. Ils le filtrent et l'éliminent avec de la salive et du suc pancréatique dans l'intestin. Selon Venturi (2020), le pancréas est plus sujet au cancer. En effet, le "bleu de Prusse" (ferrocyanure ferrique) dans l'intestin est capable de chélater le césium absorbé, empêchant sa réabsorption, et de l'éliminer dans les fèces[13] - [14].

Le césium 137 présente une toxicité chimique considérée comme très faible par l'IRSN[15].

En tant que radioélément[16], le césium 137 est par contre radiotoxique et écotoxique, essentiellement en raison de ses propriétés radiologiques[17].

Chez les bovins comme chez l'Homme, on a constaté qu'il est très faiblement présent dans la graisse et les os[18], alors que chez le poisson, l'accumulation dans les os peut représenter jusqu'à 10 à 20 % du total[19].

En cas d'absorption importante de ¹³⁷Cs, le traitement chélateur préconisé par la médecine nucléaire est le bleu de Prusse (Radiogardase) qui permet de décorporer le ¹³⁷Cs ingéré et disponible. L’administration interne de pectine est également testée, notamment chez les enfants et sur le long terme dans certaines zones contaminées, mais son degré d'efficacité est encore discuté. Le bleu de Prusse, même s'il est efficace, est très toxique, et à déconseiller pour l'alimentation humaine.

Les essais nucléaires atmosphériques et certaines catastrophes (dont celles de Tchernobyl et de Fukushima) ont été sources d'importantes contamination de l'environnement. Le césium peut être bio-accumulé, par exemple par les mousses et lichens dans un premier temps, et éventuellement localement (concentré par le réseau trophique)[36]. Les poissons le bioaccumulent aussi (dans leur squelette en particulier) et de manière plus marquée chez les poissons prédateurs[36]. La contamination est d'autant plus importante que le potassium est rare dans le sédiment ou sous forme dissoute dans l'eau ; Les poissons d’eau douce de ruissellement sont donc plus contaminés que ceux d’eaux dures sédimentaires et les poissons océaniques en contiennent encore moins (effet dilution)[36]).

Les champignons jouent à ce propos un rôle particulier, et en particulier certaines espèces trouvées en surface ou sous le sol tels que les champignons à fructification hypogée (sous le sol) (ex : truffes, dont la truffe du cerf (Elaphomyces granulatus), très consommée par les sangliers et les écureuils). Grâce à leur vaste zone de prospection dans les 30 premiers cm du sol, via leur réseau mycélien souterrain ou capable de coloniser le bois mort (lui-même éventuellement contaminé), ces champignons peuvent concentrer le césium retombé avec les pluies ou dépôts secs ayant suivi les essais nucléaires ou certains accidents.
Par exemple, après le passage du nuage de Tchernobyl, leur contamination a en France varié de 15 à 50 000 Bq/kg, selon les sources officielles[37]. D'autres (ex : Suillus variegatus et Lactarius rufus[38]) remontent le césium en surface via leur chapeau, ou pourraient le transférer aux plantes via la mycorhisation[38].

En cas d'accident nucléaire suivi de redéposition importante de césium 137, les seuils à ne pas dépasser dits « niveaux d'intervention » (activité massique des produits alimentaires, doses individuelles pour les populations ne dépassant pas 1 mSv/a) pourraient ils être respectés ? C'est la question posée en 1993 par un exercice de crise franco-russe qui s'est déroulé à Saint-Pétersbourg (21-25 juin 1993)[39], avec un scénario de radioactivité surfacique maximale de 3.700 kBq/m2 (100 Ci/km2). Les résultats ont montré que 5 ans après, avec une agriculture limitée aux zones à moindre risque, et pour les produits les plus consommés ; c'est pour la viande de porc et de bœuf et pour les champignons qu'il serait le plus difficile (impossibilité même) de respecter les normes européennes.

Depuis la catastrophe de Tchernobyl, en Finlande (pays fortement touché par le passage du nuage de Tchernobyl et où il a fallu abattre de nombreux rennes contaminés), on a efficacement testé chez le renne[51] l'adjonction de bentonite puis de plusieurs formes d'hexacyanoferrates (dont l'hexacyanoferrate ferreux d'ammonium ou l'hexacyanoferrate ferrique d'ammonium (AFCF, un dérivé du Bleu de Prusse)) dans l’alimentation animale (ex. : lichens donnés à manger aux rennes en Finlande), comme agent complexant (mais non chélateur, présentant une certaine toxicité, mais limitant les transferts de la nourriture vers l'organisme de l'animal qui la mange ; ex. : le lait est alors jusqu'à 5 fois moins radioactif). Le taux de césium des globules rouges des rennes a diminué de 50 % avec une dose quotidienne de 1 mg/kg d'hexacyanoferrate ferreux d'ammonium par kilogramme (selon le poids de l'animal), soit le même résultat qu'avec 500 mg/kg de bentonite[51], 3 mg/kg d'AFCF ou 2 g/kg de bentonite réduisent à la fois l'excrétion urinaire et les taux RBC de plus de 80 %[51]. Des zéolites[52] et de la vermiculite a aussi été testé comme contre mesure, avec le ferricyanure d'ammonium, en supplément alimentaire du bétail[53]. Au début des années 1960, on avait déjà identifié la capacité de complexation du cyanoferrate ferrique pour le césium[54].

En raison de leur richesse en champignons, parce qu'elles ont mieux capté le césium lors du passage du nuage, et parce qu'elles protègent les sols de l'érosion, les forêts sont devenues des « réservoirs et sources de radiations »[42].

En effet, elles ont stocké et localement même reconcentré le césium, ce qui fait que les aliments d'origine forestière (champignons, fruits, gibier) sont beaucoup plus contaminés que ceux provenant des champs cultivés. par exemple, après la catastrophe de Tchernobyl, on a estimé que les forêts biélorusses ont « capturé plus de 80 % des radionucléides dispersés par la centrale de Tchernobyl (ceux dont la durée de vie est la plus longue étant le césium 137, le strontium 90 et le plutonium 239, 240 et 241) ». Une grande partie de ces radionucléides sont ensuite intégrés dans le cycle forestier (ligneux → bois mort + feuilles mortes → champignons → humus → plantes ligneuses, etc[42]. Dans un cycle parallèle, la faune en capte une partie, qu'elle rend au sol via ses excréments et les cadavres[40]. Seuls les oiseaux et poissons migrateurs contribuent à exporter (et/ou à importer ce césium radiotoxique).
Ceci explique les très fortes teneurs en césium 137 des aliments forestiers (baies, champignons et gibier, régulièrement consommés par les villageois en Biélorussie et en Ukraine), qui était de 20 à 50 fois supérieure à celle des produits agricoles des mêmes régions[42].
Le monde scientifique cherche depuis plus de 20 ans à réduire les risques et dangers liés à ce fait, « mais aucune solution à ce problème n'a encore été trouvée » selon Victor A. Ipatyev (directeur de l'Institut forestier de l'Académie nationale des sciences de Biélorussie, à Gomel, relayé par la FAO[42]. Les forêts humides (écologiquement très riches) semblent les plus vulnérables.

Les tourbières alcalines sont des zones de stockage de radionucléides. Les tourbières acides sont supposées au contraire favoriser la circulation des métaux dans l'eau.

À titre d'exemple, le tableau ci-dessous rapporte la radioactivité de fruits (mûres, myrtilles, airelles) et champignons (Paxillus et Russula) récoltés en Biélorussie à environ à 120 km de la centrale nucléaire de Tchernobyl, en zone expérimentale (zone humide eutrophe-mésotrophe, comprenant une zone drainée (nappe à -56 cm) et non drainée (nappe à -27 cm)). Ceux-ci étaient, en 2000, beaucoup moins contaminés (2 à 3 fois moins) dans les zones où ces marais avaient été drainées[42]. Le tableau montre que le drainage a limité l'accès de ces plantes aux radionucléides, mais comme on l'a vu en 2010, le drainage rend néanmoins les tourbières et forêts plus vulnérables aux incendies et peut-être à la fuite de radionucléides vers les nappes ou cours d'eau, qui reçoivent les exutoires de drains et fossés de drainage.