CHAPIRO, Adolphe

I-Revues

L'utilisation des rayonnements dans l'industri e
Adolphe CHAPIRO
Les applications industrielles des rayonnements se son t
principalement développées au cours des 25 dernières années . Des dé -
couvertes nouvelles et la disponibilité de sources de rayonnemen t
de plus en plus puissantes ont conduit à des percées technologique s
dans plusieurs secteurs industriels . Hésitantes à leur début, en par -
tie en raison de la frayeur qu'exercent les rayonnements, issus de
l'atome, ces applications ont connu une croissance de plus en plus
rapide en ce qui concerne le volume des matériaux irradiés mais auss i
une diversification vers des secteurs de plus en plus sophistiqué s
de la technologie moderne . Aujourd'hui, les rayonnements sont d'un
usage courant et les équipes compétentes, qui les emploient tous le s
jours, maitrisent parfaitement les normes de sécurité, parfois dra-
coniennes, imposées par les organismes de contrôle . Des appareils
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fiables de détection et de mesure des rayonnements sont maintenan t
monnaie courante et les dispositifs automatiques d'escamotage ou d'ar -
rêt des sources de rayonnement font que l'emploi des irradiateur s
ne pose pas d'autres problèmes techniques que ceux qui sont inhérent s
à toute activité industrielle .
En dehors de la "radiographie" et de la "gammagraphie" pour
le contrôle des pièces massives, les applications principales de s
rayonnements se situent dans deux domaine s
- la stérilisation des denrées alimentaires, des produits pharma-
ceutiques, des fournitures bio-médicales, etc ., e t
-
l'amorçage de réactions chimiques, principalement dans l'indus-
trie des matériaux plastiques et des caoutchoucs .
Les premières observations sur l'effet chimique des radia-
tions ionisantes sont fort anciennes, puisque c'est grâce à une réac-
Les Cahiers du MURS n°11 - Hiver 1988
tion radiochimique, le noircissement des plaques photographiques ,
que Röntgen découvrait, en 1895, un rayonnement inconnu jusqu'alors ,
les rayons X, et que Becquerel observait, l'année suivante, la radioac -
tivité d'un minerai d'uranium . Au cours des années qui suivirent ,
des chercheurs isolés examinaient les modifications introduites pa r
ces rayonnements dans différents systèmes chimiques et jetaient ains i
les bases de cette jeune science qu'est la "chimie sous rayonnements" .
A la veille de la seconde guerre mondiale, l'intérêt des radiochimis
-
tes s'oriente principalement vers l'étude des solutions aqueuses .
On cherchait à mieux comprendre les transformations chimiques qu i
s'opèrent lors de l'irradiation des milieux biologiques, et plus spé -
cialement des tissus normaux et cancéreux . L'avènement de l'"ère ato -
mique" et la création des premières centrales à énergie nucléair e
ont entraîné une mutation de la chimie des radiations . En effet, les
radiations ionisantes constituent un sous-produit abondant de l'indus -
trie atomique ; on a intérêt, pour abaisser le prix de revient du ki
-
lowatt-heure nucléaire, à tenter de valoriser ce sous-produit .
Les premières exploitations industrielles, réalisées a u
cours des années 50, ont porté sur les transformations chimiques de s
"macromolécules" qui sont à la base des matières plastiques, des caout
-
choucs et des fibres artificielles . Les résultats obtenus étaien t
tellement spectaculaires qu'on ne se préoccupe plus de récupérer le s
radiations perdues mais, qu'au contraire, on produit des radiation s
au prix d'une dépense d'énergie supplémentaire avec des accélérateur s
d'électrons, des générateurs de rayons X ou des radioisotopes arti-
ficiels .
La production des rayonnements utiles
L'industrie emploie soit les rayons gamma, soit les fais-
ceaux d'électrons accélérés .
Les rayons gamma sont émis par de nombreux radioisotopes
naturels ou artificiels . Deux de ces isotopes présentent une importan-
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ce prépondérante comme sources de rayonnement industrielles : le cobalt -
60 et le césium-137 . Le premier est obtenu en bombardant le cobalt -
59 ordinaire avec des neutrons dans un réacteur nucléaire . Le cobalt -
60 émet des rayons gamma très pénétrants d'une énergie de 1,2 et 1, 3
MeV (mégaélectron-volts) et sa période radioactive (demi-durée d e
vie) est de 5,3 ans . Le césium-137 est un des produits de fission
de l'uranium-235 . Il se forme en quantités importantes dans les réac -
teurs nucléaires . Cet isotope émet des rayons gamma de 0,6 MeV e t
possède une période de 33 ans . Des rayonnements électromagnétique s
d'énergie comparable ou même supérieure à celle des rayonnements émi s
par ces radioisotopes peuvent être produits en bombardant une cibl e
de métal lourd par des électrons de grande énergie émis par un accélé -
rateur d'électrons : ce sont les rayons X . Ceux-ci peuvent avoir un e
pénétration considérable, mais le bilan énergétique de la transforma-
tion d'un faisceau d'électrons en faisceau de rayons X est très mau -
vais, le rendement ne dépassant pas 10 à 15 % dans les condition s
les plus favorables .
On peut obtenir des électrons accélérés en employant cer-
tains radioisotopes (rayons (3), tels que le stronium-90 par exemple .
Mais les générateurs d'électrons rapides les plus répandus sont le s
"accélérateurs" . Dans un premier type d'accélérateurs, les électrons
sont émis, puis accélérés à l'intérieur d'un tube à vide auquel es t
appliquée une haute tension, produite soit par une machine électrosta -
tique (à cylindre ou à ruban tournant), soit par un transformateur
particulier (transformateur résonnant) . Une deuxième catégorie d'accé -
lérateurs est fondée sur l'utilisation des champs électriques inten-
ses qui règnent à l'intérieur des guides d'ondes travaillant aux fré -
quences radar . De tels "accélérateurs linéaires" émettent des train s
d'impulsions d'électrons répétées ayant des durées de l'ordre de l a
microseconde . Dans tous les cas, les électrons quittent l'enceint e
sous vide en traversant une fenêtre métallique . Des dispositifs d e
balayage permettent d'étirer le faisceau sur une largeur utile pouvan t
atteindre ou même dépasser un mètre .
Enfin, il existe des accélérateurs dans lesquels les élec-
trons, émis par un long filament de tungstène horizontal, sont direc -
tement accélérés et sortent de l'enceinte sous vide sous la forme
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d'un "rideau" . Ces appareils sont principalement utilisés pour des
traitements de surface .
Transformations chimiques des macromolecules
Schématiquement on peut considérer les macromolécules comme
de longs filaments dont l'enchevêtrement confère aux matériaux qu i
en sont constitués des propriétés particulières
. La qualité de ces
matériaux dépend dans une large mesure de la nature chimique de ce s
macromolécules
. C'est ainsi que le polyéthylène, matière plastique
bien connue, est constitué de macromolécules paraffiniques et se s
propriétés sont celles d'une paraffine de haut poids moléculaire
.
Des matériaux comme le PVC, le polystyrène ou le plexiglas sont plu s
durs en raison d'une structure "vitreuse", analogue à celle des verre s
minéraux
. Le caoutchouc naturel et les différents caoutchoucs synthé
-
tiques sont formés de macromolécules flexibles qui donnent à ces ma
-
tériaux leur "élasticité caoutchoutique"
. En réalité cette propriét é
essentielle du caoutchouc n'existe pas dans la gomme initiale . Ell e
n'apparaît que lorsqu'on "vulcanise" le caoutchouc
. Le nom de ce trai -
tement, dérivé de celui de la divinité du feu, Vulcain, vient de c e
qu'il met en jeu le chauffage de ces macromolécules en présence de
soufre . Il se forme ainsi une nouvelle structure dans laquelle les
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macromolécules sont liées entre elles par des ponts de soufre et l'en
-
semble constitue une sorte de filet géant à trois dimensions .
La vulcanisation du caoutchouc a été découverte au 19e siè -
cle et a connu de nombreux perfectionnements qui permettent de réali -
ser aujourd'hui des pneus d'automobiles d'une fiabilité remarquable .
irradiation-réticulation
Or, la simple irradiation de certaines macromolécules permet
une "réticulation" semblable .
La réticulation radiochimique du polyéthylène a été découver
-
te en 1952 . L'irradiation d'un objet en polyéthylène conduit à un
matériau nouveau, qui ne fond plus à la température de fusion habi-
tuelle du polyéthylène, soit 115-120°C, ce qui permet de le stérilise r
par la vapeur à 120° . Mais l'application la plus séduisante de ce
procédé, qui a abouti aux réalisations les plus nombreuses, est l'ir
-
radiation des fils électriques et des cables dont l'isolant (polyé-
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thylène) acquiert ainsi une bonne tenue aux températures élevées e t
une fiabilité accrue en usage intensif .
Des isolants autres que le polyéthylène sont aujourd'hu i
réticulés par irradiation . Il en est ainsi du PVC, de différents caout -
choucs et de certaines résines fluorées . Malgré la multiplication
de ces fabrications le client moyen ne sait pas, lorsqu'il s'install e
confortablement dans le siège d'un avion, qu'il arrive à destination
avec une sécurité accrue grâce à l'emploi, dans les circuits électri -
ques de l'appareil, de centaines de kilomètres de fils isolés, réticu -
lés par irradiation, d'une très grande fiabilité . De gros volumes
de fils et cables irradiés servent dans le matériel de transport ,
tels que motrices électriques, mais aussi camions et automobiles mo-
dernes .
Des dispositifs beaucoup plus sophistiqués, construits ave c
des matériaux réticulés par irradiation, sont d'un emploi couran t
en télécommunication, dans les centraux téléphoniques, les ligne s
de haute tension, les ordinateurs mais aussi dans certains appareil s
électroménagers .
irradiation greffage
Le "greffage" des macromolécules est une technique mettan t
en jeu une transformation plus profonde des matériaux macromolécu-
laires . Pour cela on ajoute au matériau de départ un réactif chimique ,
le plus souvent un "manomètre" polymérisable, qui formera après irra-
diation des "branches" greffées sur la "macromolécule tronc" . Le maté-
riau résultant est un alliage constitué de deux macromolécules diffé -
rentes et possède de ce fait des propriétés nouvelles . C'est ains i
que le greffage de l'acide acrylique sur le polyéthylène transforme
ce matériau paraffinique en un excellent adhésif sur métaux (produi t
commercialisé par Total-Chimie) . Des membranes permsélectives sont
préparées par greffage radiochimique de monomères hydrophiles dan s
différents films plastiques . Ces membranes sont utilisées comme sépa-
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rateurs d'électrodes dans les batteries alcalines et dans les pile s
électriques miniaturisées, mais trouvent aussi des applications dans
différents procédés de fractionnement industriels . Enfin, des dispo -
sitifs à usage bio-médical sont fabriqués par des méthodes radiochi -
miques qui permettent d'opérer dans des conditions de propreté e t
d'asepsie inconnues dans les procédés chimiques classiques .
irradiation-durcissement-séchage
Une autre technique industrielle faisant appel à l'irradiatio n
est le "durcissement" ou "séchage" des peintures et vernis . Pour cel a
des formulations, exemptes de solvants, et renfermant des réactif s
polymérisables, sont déposées sur la surface à traiter (bois, métal ,
plastique, papier) puis soumises à un faisceau d'électrons accélérés .
Cette technologie, qui n'exige qu'une pénétration du rayonnement dans
des couches de faible épaisseur, utilise des accélérateurs d'électron s
d'énergie modérée, dans la gamme de 200 à 500 KV. Ces rayonnement s
sont totalement absorbés par des toles métalliques de faible épaisseu r
et les appareils sont le plus souvent "auto-protégés", l'opérateu r
pouvant se trouver sans aucun risque au voisinage immédiat de l'appa-
reil en fonctionnement . Les installations utilisant ces procédés se
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multiplient rapidement et conduisent à des applications très diver-
ses . En dehors du séchage des peintures et vernis, ces appareils ser -
vent à réticuler des films et fils isolés de faible épaisseur, à sé -
cher des encres et adhésifs, à durcir des dépôts de formulations ma-
gnétiques sur bandes ou disquettes, etc . L'intérêt de ces procédés
est qu'ils permettent l'emploi de réactifs sans solvants, donc san s
aucune pollution de l'atmosphère, mais ils permettent également d'opé -
rer à des vitesses très élevées, à la température ambiante ce qu i
réduit notablement la surface au sol des installations, améliore l a
qualité de la production, conduit à des économies d'énergie très impor -
tantes et, par voie de conséquence, diminue le coût du traitement .
Des installations d'irradiation existent aujourd'hui dans
tous les pays industriels mais aussi dans de nombreux pays du Tiers -
Monde . L'auteur a effectué en 1986 une mission d'inspection dans l e
Sud-Est asiatique pour le compte des Nations Unies (Agence Internatio-
nale de l'Energie Atomique) et a pu ainsi visiter des irradiateurs
industriels en Chine, en Corée du Sud, en Inde, en Indonésie et en
Thailande . Ces installations servent principalement à la désinfesta -
tion de produits alimentaires et la stérilisation de produits pharma -
ceutiques et de fournitures médicales en matériaux plastiques . Cette
méthode s'applique à des produits en emballages plastiques scellé s
et offre de ce fait des garanties supérieures à la stérilisation par
l'oxyde d'éthylène, gaz hautement toxique, qu'il faut soigneusemen t
éliminer après le traitement . L'irradiation des fruits, légumes, épi -
ces et de certaines viandes élimine des parasites (la destructio n
des microorganismes et des parasites par irradiation résulte d'une
transformation chimique de certaines substances nécessaires à la vie )
et permet une meilleure conservation de ces denrées et leur exporta-
tion à grandes distances avec beaucoup moins de pertes et sans dépen -
se supplémentaire d'énergie (pour la réfrigération) . Cela explique
la multiplication de ces installations dans le Tiers-Monde . Mais des
opérations techniquement plus sophistiquées, telles que la réticula -
tion des isolants de fils et cables ou le durcissement de revêtements ,
se développent également pour le plus grand bien de la croissanc e
économique de ces pays qui en ont le plus grand besoin .
Le chiffre d'affaire mondial des matériaux plastiques irra-
diés était, en 1982, de trois millions de dollars . Ce chiffre a proba-
blement doublé aujourd'hui, mais il est difficile de recueillir de s
informations actualisées sur ce point en raison de la multiplicatio n
des installations dans le monde et de la diversité des activités d'ir -
radiation .
Pour conclure, je voudrais insister sur le fait qu'à l'heur e
actuelle les installations industrielles utilisant l'irradiation repré -
sentent une technologie bien établie . De nombreux produits irradié s
nous entourent et, pour calmer certaines inquiétudes, je ne peux qu'af -
firmer avec force que ces produits ne présentent aucune radioactivit é
induite . Les rayonnements produisent des transformations chimique s
au même titre que la chaleur, la lumière et l'électricité en transfé -
rant aux molécules l'énergie dont elles ont besoin pour réagir . Mais ,
lorsque les substances ont quitté le faisceau de rayonnement, ou l e
four, ou le champ électrique elles ne conservent aucune trace du trai -
tement qu'elles ont subi .
Adolphe CHAPIRO
Directeur de Recherches au CNRS


L'utilisation des rayonnements dans l'industrie

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