Un radionucléide (ou radio-isotope) est un noyau atomique instable qui se désintègre spontanément en émettant un rayonnement ionisant. Ce processus, appelé désintégration radioactive, permet au noyau de tendre vers un état plus stable.
nX → mY + α, β±, γ
Les radionucléides se caractérisent par plusieurs propriétés clés : le type de rayonnement produit – un noyau d’hélium α, un électron β–, un positron β+ ou un photon γ, le temps de demi-vie et leur réactivité chimique.
Applications identifiées
On connaît environ 3 300 radionucléides naturels ou artificiels. Parmi eux, plus de 200 radio-isotopes sont utilisés à des fins scientifiques, médicales ou industrielles, grâce à leur capacité unique à émettre un rayonnement mesurable ou destructeur, tout en pouvant être intégrés à des composés chimiques ou biologiques. En fonction de leurs trois propriétés essentielles (nature du rayonnement, demi-vie, comportement chimique), la communauté scientifique explore leur potentialité pour les quatre grands domaines suivants :
- Médecine nucléaire : imagerie pour diagnostic et thérapie (traitement des cancers)
- Applications industrielles : Contrôle non destructif (imagerie), mesure de densité et d’épaisseur, traçage de fluides et repérage de fuites.
- Sécurité, défense, souveraineté : Production d’électricité en milieu extrême (espace, sous-marin etc.), surveillance radiologique, simulation d’environnement nucléaire.
- Recherche scientifique et environnement : datation, pharmacocinétique, érosion des sols, suivi de pollution.
Cette étude de de veille scientifique a été commandé pour donner au client la vision la plus complète possible du potentiel des générateurs de neutrons compact dans la production de radionucléides, toutes applications confondues.
Méthodes de production actuelles
Par désintégration spontanée : les IRGs
La première voie la plus directe de production de radionucléide est la désintégration spontanée. Un nucléide parent présent en grande quantité va petit à petit se désintégrer, produisant une quantité de nucléides enfant. La proportion du mélange parent/enfant dépend alors des périodes radioactives de chacun.
Ce principe simple de désintégration a mené à la fabrication de générateur industriel de radionucléide (IRG en anglais pour Industrial Radionuclide Generators), en développement depuis plus de 60 ans. Ces générateurs permettent d’obtenir un radionucléide (généralement à courte période) à partir de la désintégration d’un radionucléide parent à plus longue période. Ils assurent une production continue du radionucléide d’intérêt, sans nécessiter de grands instruments (réacteur ou de cyclotron) sur site.
Par bombardement ionique : accélérateurs et cyclotrons
On accélère des ions léger – protons (p), deutons (d) ou noyau d’hélium (𝛼) – qu’on collisionne ensuite à une cible pour en éjecter des neutrons ou des protons. Du fait de la barrière coulombienne à vaincre, il y a une énergie seuil, d’autant plus grande que le noyau cible est lourd.
Les accélérateurs de particules – principalement des cyclotrons et parfois des accélérateurs linéaires (linacs) – permettent la production de radionucléides via les réactions nucléaires de bombardement ionique de cibles stables.
Les accélérateurs permettent aussi la production de certains radionucléides parents pour les IRGs.
Par irradiation : Bremsstrahlung et Compton backscattering
La photoproduction de radionucléides repose sur l’utilisation de rayons γ de haute énergie, produits principalement par deux mécanismes : le Bremsstrahlung (rayonnement continu émis par des électrons accélérés lorsqu’ils sont freinés dans une cible dense comme du tungstène) et le Compton backscattering (génération de photons 𝛾 quasi-monochromatiques par collision inverse entre un faisceau laser et des électrons relativistes)
La cible est entièrement plongée dans un flux de photons incident de haute énergie. On vise des réactions d’éjection : un photon éjecte un ou plusieurs neutrons/protons.
Les sections efficaces de photo-éjections sont les plus faibles mais les densités de flux accessibles sont les plus importantes.
Cette méthode de production est plus récente, et tend à se développer.
Par bombardement neutronique : réacteur à fission
Les réacteurs nucléaires de recherche ou à usage médical produisent des radionucléides en exposant des cibles stables à un flux intense de neutrons thermiques ou rapides. Des radionucléides peuvent aussi provenir directement du retraitement des déchets radioactifs des réacteurs à fission.
Les radionucléides sont soit produits par :
- Des réaction de capture neutronique (n,γ) : neutrons thermiques ou épithermiques (résonance)
- Des réactions d’éjection nucléaire (n,xp+yn) : neutrons énergétiques (1 à 20MeV)
Cas spécifique des générateurs de neutrons compacts
Les générateurs de neutrons compacts par fusion utilisent des faisceaux d’ions produits à partir d’une source plasma deutérium ou tritium, accéléré de 50keV à 1MeV pour produire des neutrons par collision de noyaux légers, selon les réactions suivantes :
- D + D ➝ 3He + n (neutron de 2.45 MeV)
- D + T ➝ 4He + n (neutron de 14.1 MeV)
- D + 7Li ➝ 8Be + n (neutron de 10 et 13MeV à 50%/50%)
Dans la plupart des technologies existantes de générateurs de neutrons compacts, le flux de neutrons obtenu est généralement encore trop faible pour permettre une production satisfaisante.
Le cœur de notre travail de veille scientifique s’est concentré sur ce point précis. Nous avons cherché et analysé les quelques articles académiques internationaux qui se sont penchés sur ce sujet pour identifier les verrous actuels et déceler les innovations en cours de développement qui pourraient permettre de les dépasser. En reliant ces découvertes parallèles avec la compréhension scientifique acquise au cours de l’étude, nous avons fourni à notre client un état des lieux complet et éclairant.
Les avantages et inconvénients de la production de radio-isotopes par des générateurs de neutrons ont été détaillés, dans le contexte d’une demande croissante portée par le développement mondial de la médecine personnalisée et des traitements par thérapie ciblée des cas de cancers.
Les isotopes les plus pertinents pour envisager une mise sur le marché à moyen terme ont été identifiés. En parallèle, les limites socio-technologiques qui devront être dépassées pour rendre pérenne cette mise sur le marché ont été listées.
Les générateurs de neutrons compacts ne remplaceront pas la production par réacteurs ou cyclotrons, mais pourront jouer demain un rôle clé en production sur site et à la demande, à faible volume, pour certaines applications médicales spécifiques.