La radioactivité naturelle dans l’industrie

Métrologie de la radioactivité

Application aux mesures environnementale

Choix des matériaux à mesurer

Gisements de ressources minérales

Une ressource minérale est une concentration de matériau présent naturellement, sous forme, solide, liquide ou gazeuse, à l’intérieur de la crête terrestre, sous une forme et une quantité telles que son extraction à des fins économiques est effectivement ou potentiellement faisable. En effet, compte tenu de l’étendue de la surface terrestre, et de l’épaisseur de la lithosphère, ces stocks de minéraux représentent des quantités considérables que l’humanité sera toujours très loin d’avoir la capacité d’épuiser. D’autant que la terre est toujours en activité, au plan géodynamique et de la géologie de surface, avec un renouvellement permanent des formations géologiques ñet donc des matières premières minérales ñ que ce soient par des mécanismes endogènes (remontées magmatiques, surrection des montagnes, renouvellement des plaques lithosphériques. . . ) ou exogènes (altération, sédimentation terrestre et marine). Ces ressources ne sont dans l’ensemble pas renouvelables. L’évaluation de la quantité d’une ressource dans une zone donnée dépend de nombreux paramètres du gisement, dont la localisation, la profondeur, la taille, la configuration, la nature minérale, la qualité, la densité, les caractéristiques géologiques, la proximité de ressources voisines. Les ressources minérales constituent un des éléments clés du développement de l’humanité. De tous temps, les activités humaines ont nécessité l’utilisation de matériaux, pour satisfaire des besoins aussi variés que l’habitat, les travaux publics, le transport,l’industrie, ou l’agriculture. Dans l’ensemble des matériaux, les ressources minérales occupent une place à part. Elles ont été formées au cours des temps par des processus géologiques, le plus souvent, bien avant l’arrivée de l’homme sur Terre. Le domaine des ressources minérales représente un des volets du grand ensemble de ressources naturelles, à cÙté des ressources énergétiques et alimentaires, des richesses biologiques, dont la biodiversité, et des ressources que constituent les milieux physiques : sols, eau, atmosphère. En vue de son histoire géologique de formation, un gisement de ressources minérales constitue un véritable cocktail de différentes substances radioactives. On y trouve notamment du 40K, du 228Ra, du 232Th, mais aussi du 210Po, du 210Pb et de 238U avec des variations spectaculaires d’un gisement à l’autre, et m’me dans un m’me gisement. Une des sources de radioactivité dans l’environnement autre que celles d’origine naturelle est principalement due à l’usage étendu de minerais extraits et leurs dérivés pour la production des matériaux que nous utilisons couramment comme par exemple les matériaux de construction (gravier, sable, argile, ciment, pl‚tre), les engrais agricoles, les métaux, le sel et le gypse, les papiers, les verres, etc., qui ont des applications familières et façonnent notre quotidien. La demande et l’utilisation de ces produits ne cesse d’augmenter avec le temps. Par ailleurs, les processus physico-chimiques mis en oeuvre dans certaines activités industrielles peuvent conduire dans certaines circonstances à une concentration potentielle de ces radionucléides naturels dans les résidus ou les produits finis et semi-finis de ces industries. Bien que les niveaux de radioactivité de ces matériaux NORM reste généralement modérés, une exposition prolongée à ces matériaux peut, dans certains cas particuliers, devenir significative et dépasser les limites légales d’exposition. Ce qui a pour effet d’augmenter les taux d’exposition ainsi que les risques de contamination à la fois sur la population et l’environnement. C’est dans cette perspective que ces matériaux et leurs produits dérivés doivent être contrôler et examiner et vis-à-vis de la radioactivité d’une manière permanente et régulière. Il est également important de surveiller et d’étudier le devenir (transfert) de ces substances radioactives dans l’environnement (radioécologie), afin de connaître leur impact éventuel sur les populations humaines (radioprotection). ¿ l’issue de la recherche bibliographique menée, nous avons orienté l’échantillonnage vers quelques minéraux de matières premières utilisés couramment dans les domaines de l’industrie des phosphates et la production de matériaux de construction.

Généralités sur les phosphates et la production des engrais

Phosphate naturel (PN) est un terme général qui décrit les assemblages minéraux naturels contenant une concentration élevée de minéraux phosphatés. Le terme se rapporte aussi bien aux minerais phosphatés non enrichis qu’aux produits concentrés. Le phosphate est le composant de ces roches ayant un intér’t agronomique. Plus le contenu en phosphate (P2O5) sous forme d’apatite est élevé, plus le potentiel économique du minerai est grand. Le phosphate de calcium se trouve dans des roches magmatiques et dans des roches sédimantaires des différents ‚ges. Ces roches peuvent avoir été plus ou moins métamorphosées ou remaniées, altérées ou lessivées. ñLes gisements sédimentaires représentent la plus grande partie des réserves mondiales. Ils ont fourni environ 80 à 90 % de la production mondiale ces dernières années [Mineral 2013]. Particulièrement, ces gisements se trouvent dans des formations d’‚ge géologique très différent, montrent une gamme très large de compositions chimiques et de formes physiques, se trouvent souvent en couches épaisses relativement horizontales, et peuvent ‘tre à la base de terrains de recouvrement peu profonds. Les gisements les plus importants sont Cambrien (Chine, Kasakhstan, Vietnam, Mongolie), Permien (Utah, Montana, Idaho, Wyoming aux Etats-Unis), Créatacé supérieur (Moyen-Orient, Egypte), Eocène (gisements d’Afrique du Nord Algérie, Tunisie, Maroc), Mio-Pliocène (Floride et Caroline du Nord aux Etats-Unis). Les matières phosphatées des minerais sédimentaires présente une cristallisation extrêmement fine ; les cristallites ont généralement des dimensions bien inférieures au micron. Dans le réseau de ces micro-cristaux, de très nombreuses substitutions (concernant des sites occupés normalement par P, Ca, F) sont possibles : PO4 remplacé par SO4, CO3, ou SiO4, F par OH, Ca par Mg, Al, Fe, K, Na, Sr, U, Th ou des terres rares. Les éléments phosphatés individualisés des minerai sédimentaires sont visibles à l’úil nu ou au microscope et ils se présentent sous différents types que l’on peut classer en fonction de leur forme, de leur taille et de leur structure interne. Les gisements du Djebel Onk font partie des gisements de ce type. Ses ressources peuvent atteindre 2 milliards de tonnes au niveau du bassin de Djebel Onk. ñLes gisements d’origine magmatique dits ignés sont les moins nombreux et fournissent environ 10 à 20 % de la production mondiale des concentrés. Le plus important est situé dans la péninsule de Kola, à l’extr’me Nord-Ouest de la Russie ; les gisements sont associés à des intrusions alcalines, le plus souvent, il s’agit de syénites néphéliniques à cúur de carbonatites. Parmi les autres gisements de carbonatites à apatite, on trouve les gisements du Canada, Jacupiranga au Brésil, Siilinj‰rvi en Finlande ou Phalaborwa en Afrique du Sud. Les minerais d’origine magmatiques sont caractérisés par la présence des grains d’apatite bien cristallisés dans le système hexagonal, avec des dimensions allant de quelques dizaines de microns jusqu’à quelques millimètres. La structure cristallographique permet de distinguer la çuorapatite Ca5(PO4)3F, de l’hydroxylapatite Ca5(PO4)3OH et de la cholroapatite Ca5(PO4)3Cl.

La radioactivité naturelle dans l’industrie

Les procédés de production de certaines activités industrielles peuvent modifier les équilibres physico-chimiques de la radioactivité naturelle contenue dans les matières premières utilisées et la concentrer dans les sous-produits et résidus. Il s’agit alors de radioactivité naturelle technologiquement renforcée. Elle représente un risque éventuellement accru de dissémination dans l’environnement et donc d’exposition humaine, m’me après l’arr’t de l’activité industrielle. Cette radioactivité naturelle involontairement renforcée provient des industries extractives de minerais et de ressources géologiques ainsi que des étapes successives de séparation, d’épuration, de transformation, et d’utilisation des sous-produits. Comme mentionné plus haut, certains minerais contiennent par nature des concentrations relativement importantes en substances radioactives naturelles, les minerais de phosphate, les sables au zircon, certains minerais non-ferreux : cette radioactivité se retrouvera dans les produits finis et les résidus du processus. Les industries qui utilisent ces matières sont donc des secteurs à risque : l’industrie des phosphates (production d’acide phosphorique, d’engrais ou autres produits phosphatés), la fonderie et la fabrication de matériaux réfractaires (utilisation des sables au zircon), la métallurgie non-ferreuse primaire (à partir du minerai ou du concentr‚t). Les processus physico-chimiques des différentes substances radioactives naturelles (uranium, radium, plomb, polonium,…) étant différents, ces éléments ne vont pas forcément suivre le m’me chemin dans le processus de transformation. Ils peuvent s’accumuler préférentiellement dans certains résidus ou produits. Alors que dans les matières premières minérales, tous les radionucléides d’une m’me chaine de désintégration sont généralement présents avec la m’me activité (on parle d’équilibre séculaire), cet équilibre est brisé par les processus de transformation physico-chimiques. Par exemple, dans l’industrie des phosphates, l’uranium et le radium sont, au départ, présents dans le minerai de phosphate avec une m’me concentration d’activité ; dans les processus de transformation, l’uranium va se retrouver dans les produits finis (acide phosphorique ou engrais) tandis que le radium se trouvera dans les résidus (phosphogypse notamment) ou se forme de scallings dans les installations.