Le césium, élément atomique n°55 de symbole Cs : sa découverte, son histoire, ses propriétés, ses isotopes, ses effets toxiques et sa réglementation.

Isotopes

Le césium détient le record du plus grand nombre d’isotopes parmi tous les éléments chimiques connus. En effet, il en possède 40, allant d’un nombre de masse de 112 à 151, ainsi que 17 isomères.

Le césium a un seul isotope stable, le ¹³³Cs. En plus d’être monoisotopique, il est aussi mononucléidique, car cet isotope est le seul qui existe sous sa forme naturelle. Les autres isotopes du césium sont radioactifs et toxiques. Ces isotopes sont produits dans les supernovas et sont présents sur Terre à cause des retombées d’essais nucléaires atmosphériques, des accidents et des déchets nucléaires. Les isotopes ¹³⁴Cs et ¹³⁷Cs sont des produits de fission de l’uranium et peuvent être utilisés comme traceurs pour détecter d’éventuels fuites ou accidents de réacteurs nucléaires.

Le césium 137 est l’isotope le plus courant. Cet élément a été utilisé pour mesurer les effets de différentes contaminations de l’atmosphère, notamment liées aux bombes atomiques, aux essais nucléaires, à l’accident de Tchernobyl et aux rejets de centrales nucléaires. Sa présence a permis de mener des études sur la vitesse de renouvellement de l’eau et de comprendre comment le césium se déplace dans la chaîne alimentaire. Cet élément a une période radioactive de 30,15 ans et se désintègre en baryum 137m, puis en baryum 137 stable.

Quant au césium 134, il a une période radioactive de 2 ans. Capable de conserver sa radioactivité jusqu’à 2,3 millions d’années, le césium 135 est un déchet radioactif à durée extrême. Catégorisé de déchet radioactif à vie longue, ce dernier conserve sa radioactivité au-delà des milliers d’années, nuisant à l’environnement et à la santé humaine.

Effets toxiques

Césium stable

Le césium stable est généralement considéré comme peu toxique sur le plan chimique, avec une dose létale médiane de 800 à 2 000 mg/kg. Cependant, une surdose de césium, notamment sous forme de chlorure de césium ingéré par voie orale, peut entraîner des symptômes tels que des diarrhées, une perte d’appétit, des vomissements, des nausées, et même une arythmie cardiaque. En outre, le contact avec l’hydroxyde de césium peut causer des irritations oculaires graves.

Césium 137

Par contre, les isotopes radioactifs, en particulier le césium 137, sont nocifs pour l’être humain et l’environnement. Le césium 137 émet des rayonnements gamma qui peuvent causer des dommages importants à tous les êtres vivants. De plus, le césium 137 est chimiquement similaire au potassium : il peut être assimilé par les plantes et les animaux en remplacement du potassium. Le césium 137 se fixe sur les éléments organiques du sol et persiste pendant longtemps, en particulier dans la litière forestière. Les champignons et les baies sauvages qui poussent dans ces zones peuvent donc contenir des niveaux élevés de cette substance. En Ukraine, en 1998, les champignons et les baies représentaient 95 % du radiocésium ingéré, avec une augmentation de 200 fois pour les gros consommateurs de champignons. Les animaux sauvages peuvent aussi être contaminés en mangeant de la nourriture ou en buvant de l’eau qui contient du césium-137. Il contamine les plantes et les algues, qui sont à la base du réseau trophique, et se propage à travers la chaîne alimentaire lorsque les animaux mangent des organismes contaminés.

Les effets que peuvent avoir des expositions prolongées à de faibles doses de ¹³⁷Cs ne sont pas connus jusqu’à présent. Cependant, les effets de l’exposition à des doses élevées de ¹³⁷Cs peuvent causer des symptômes graves tels que des nausées, des vomissements, des diarrhées, des hémorragies, et même le coma ou la mort. Si l’exposition est seulement cutanée, elle peut causer des rougeurs, des ulcères, voire des nécroses de la peau.

La catastrophe nucléaire de Tchernobyl a permis de tirer quelques observations. Il s’avère que la quantité de césium 137 présente dans le corps d’une personne est relative à celle ingérée à travers ses aliments. Environ 15 % du ¹³⁷Cs ingéré par la mère qui allaite dans une zone contaminée est transféré à son bébé à travers le lait maternel. L’exposition au césium peut causer des dommages aux tissus et aux organes du bébé. Les effets peuvent inclure des troubles de la croissance, des problèmes de développement neurologique et une augmentation du risque de cancer. Les enfants vivant en zone contaminée ont un système immunitaire plus défaillant. En effet, la présence de cette substance diminue la capacité de l’organisme à se défendre contre les infections et les maladies.

Les recherches de Bandazhevsky et d’autres scientifiques ont montré que l’exposition au césium-137 peut être associée à une augmentation des pathologies cardiovasculaires. Et cela, en particulier chez les personnes exposées à des doses élevées de radioactivité. Ces pathologies se présentent sous forme d’hypertrophie du ventricule gauche, d’augmentation de la tension artérielle, d’arythmie et d’autres problèmes cardiaques.

Le césium-137 peut causer des dommages tissulaires dans le foie et les reins. Ces dommages entraînent une réduction de la fonction hépatique et rénale, ainsi qu’une carence en vitamine D. Cela peut augmenter le risque de déformation des os chez l’enfant et une altération de la qualité de l’émail dentaire. De même, chez les rats, une exposition in utero à de faibles doses de ¹³⁷Cs via la mère peut perturber le métabolisme de la vitamine D des embryons. Cela entraîne des troubles de la calcification du squelette.

L’exposition au ¹³Cs pendant la grossesse peut causer des anomalies congénitales se formant dès les premières semaines de développement embryonnaire. Figurent dans la liste : la duplication des reins et des uretères, la polydactylie et des défauts du tube neural. Ces derniers peuvent entraîner des malformations du cerveau et de la moelle épinière. Des études ont montré que les anomalies congénitales étaient plus fréquentes chez les enfants nés de mères vivant dans des zones exposées à des niveaux élevés de ¹³⁷Cs. Dans certaines zones de Bélarus, les mères ont été exposées à plus de 555 Bq/m2.

Lorsqu’il est ingéré ou inhalé, le césium 137 peut se concentrer dans les tissus corporels, y compris la vessie. Il émet ainsi des rayonnements ionisants qui peuvent endommager les cellules et causer des mutations génétiques. Cela peut entraîner des troubles de la vessie tels que des infections, des inflammations et un risque accru de cancer de la vessie. Les rayonnements ionisants peuvent également avoir des effets sur le cerveau, entraînant des troubles neurocognitifs tels que des troubles de la mémoire, de l’apprentissage et de la coordination. Ces effets dépendent de la dose de rayonnement, de la durée d’exposition et de la sensibilité individuelle.

Électrolyte pour multiplicateurs

Le césium est parfois utilisé comme électrolyte dans les accumulateurs. Les électrolytes sont des substances qui permettent aux ions de se déplacer entre les deux électrodes d’une batterie pendant la charge et la décharge. Le césium est choisi pour son excellente conductivité électrique et sa capacité à former des composés ioniques stables. Lorsqu’il est utilisé comme électrolyte, il peut aider à améliorer la durée de vie de la batterie et à réduire la résistance interne.

Promoteur de conversion chimique

Le césium a plusieurs applications en tant que catalyseur ou promoteur de conversion chimique. Par exemple, il peut être utilisé pour remplacer partiellement le potassium afin de faciliter la conversion de SO₂ en SO₃. Il peut également servir de catalyseur de polymérisation sous forme d’hydroxyde de césium, tel que le CsOH. Le césium peut aussi être utilisé comme propulseur de moteur ionique, à condition d’être ionisé au préalable.

Synthèse organique

Le carbonate de césium CsCO₃ sert de base pour la synthèse organique. Il est mieux solubilisé dans les solvants organiques que les autres carbonates tels que le carbonate de potassium. Les solvants organiques sont des liquides à base de carbone qui sont utilisés en chimie organique pour dissoudre les composés organiques.

Halogénures

Le césium et ses composés sont largement utilisés dans diverses applications technologiques, en raison de leurs propriétés physiques et chimiques uniques.

Le bromure de césium (CsBr) est utilisé comme matériau de base dans les écrans fluorescents utilisés en radiographie. Les écrans fluorescents contenant du CsBr sont capables de convertir les rayons X en lumière visible, permettant ainsi de produire une image claire et précise. Le CsBr est également utilisé dans la fabrication de prismes pour spectromètres infrarouges, ainsi que dans les fenêtres de cellules pour spectroscopie d’absorption infrarouge.

Le chlorure de césium (CsCl) sert d’agent contrastant en radiographie. Lorsqu’il est injecté dans le corps d’un patient, le CsCl se concentre dans les tissus mous. Ainsi, les radiologues peuvent mieux visualiser les structures internes lors de la prise d’images.

L’iodure de césium (CsI) est souvent utilisé dans les prismes de spectromètres infrarouges pour séparer les différentes longueurs d’onde de la lumière. Il est également utilisé dans les compteurs à scintillation, qui sont des détecteurs de rayonnement de particules ionisantes, de rayons gamma et de rayons X. Le CsI est aussi présent dans certains écrans fluorescents aux rayons X.

Le fluorure de césium (CsF) est un composé important en chimie des organofluorés. Il est utilisé comme source de production d’ions fluorure dans diverses réactions chimiques. Le CsF sert de base pour la condensation de Knoevenagel, une réaction de synthèse organique importante dans la production des composés à base de carbone. En outre, le CsF aide à l’élimination des groupements protecteurs dans diverses synthèses organiques.

Césium 137

L’isotope ¹³⁷Cs agit comme une source radioactive.

Il se désintègre en émettant des électrons connus comme les particules bêta. Dans les laboratoires de physique, les impulsions électriques générées par ces désintégrations sont alors comptées, permettant de calculer la radioactivité de l’échantillon de césium 137. Cette technique est utilisée pour démontrer le caractère aléatoire de la désintégration radioactive, qui est une propriété fondamentale de la physique nucléaire.

Dans les irradiateurs industriels pour la radio-stérilisation des aliments, il émet des rayonnements ionisants qui tuent les bactéries et les micro-organismes présents sur les produits alimentaires. Cela permet de conserver les produits plus longtemps. Il est également utilisé dans des jauges de convoyeurs et de masse volumique. La quantité de rayonnement émis par le césium permet d’évaluer la densité ou l’épaisseur du matériau traversé par le rayonnement. Dans les systèmes d’étalonnage, le césium 137 émet des rayonnements de manière stable et prévisible. Ce qui permet de calibrer des instruments de mesure tels que des détecteurs de rayonnement ou des compteurs Geiger.

En médecine, la source radioactive du césium 137 est utilisée pour traiter certains types de cancer tels que celui du col de l’utérus ou de la vessie. Elle est placée directement en contact avec la tumeur pour délivrer une dose de rayonnement qui détruit les cellules cancéreuses. Le chlorure de césium est d’ailleurs proposé en médecine alternative pour arrêter la progression des métastases. Toutefois, malgré cette hypothèse, l’utilisation de cette substance a été associée à des effets cardiotoxiques et ne présente pas d’efficacité notable dans le traitement du cancer. D’autre part, du césium 137 plus actif est utilisé pour irradier le sang afin qu’une transfusion sanguine soit sans danger pour les personnes souffrant de déficit immunitaire.

Enfin, les niveaux de ¹³⁷Cs dans l’environnement sont souvent utilisés comme indicateur de la gravité de la contamination radioactive et des risques pour la santé humaine et l’environnement.

Cinétique environnementale

Les études de comportement des isotopes du césium dans l’environnement visent à comprendre comment ces éléments se déplacent dans l’environnement. Et notamment, comment ils sont transportés par l’eau, par l’air ou par les sols, ou encore comment ils sont absorbés et accumulés dans les organismes vivants. Ces études ont pris de l’ampleur depuis la catastrophe de Tchernobyl en 1986. Elles aident à déterminer les niveaux de contamination dans l’environnement et à élaborer des stratégies pour minimiser l’exposition humaine à ces éléments dangereux.

Les ions de césium présents dans l’eau peuvent s’accrocher à certains matériaux de construction tels que les briques et les mortiers, ou se coller sur les ciments et bétons. Cette adsorption dépend de la température, du temps d’exposition et de la quantité de césium dans l’eau. Plus l’eau contient de césium, plus les ions de césium se colleront aux matériaux de construction. Les scientifiques ont trouvé un modèle mathématique pour expliquer ce phénomène, appelé le modèle de Freundlich. Les chercheurs ont également observé que la température influe sur l’adsorption de césium : plus elle est élevée, plus le césium se colle rapidement aux matériaux de construction.

Récupération du césium

Pour nettoyer les zones les plus contaminées suite à l’explosion nucléaire de Fukushima, un robot hydrodécapeur a été développé. Ce robot utilise l’hydrodécapage à très haute pression, qui consiste à projeter de l’eau sous pression très élevée sur les surfaces contaminées pour les nettoyer. Cela peut arracher la peinture et la surface du béton ou de l’asphalte, mais permet également de retirer la contamination radioactive. Les résidus aqueux qui en résultent, dont des éléments radioactifs tels que le césium, sont ensuite récupérés et traités afin de ne pas contaminer davantage l’environnement.

Des scientifiques ont également expérimenté des méthodes pour réduire la radioactivité des déchets nucléaires. L’une de ces méthodes est l’extraction sélective par solvant, consistant à utiliser le césium 137 et le strontium 90 pour extraire les éléments radioactifs. Cette méthode utilise le Calix[4]arene-crown-6, un composé organique qui forme une liaison avec les ions de césium et de strontium, pour l’extraction.

Occurrence du césium dans l’écosystème

Lorsque le césium radioactif est libéré dans un sol argileux et nu, il est fortement absorbé par les particules d’argile présentes dans le sol. Les argiles sont des minéraux qui ont une grande capacité d’adsorption. Par conséquent, le radiocésium se déplace difficilement vers les eaux profondes ou superficielles. Les nappes d’eau souterraines et les rivières sont rarement contaminées par le radiocésium, sauf en cas d’érosion qui peut transporter les particules d’argile contaminées.

Le césium est beaucoup plus présent dans la couche supérieure des sols. Dans ces couches, il peut être absorbé par les racines et les rhizomes de certaines plantes. Les fougères, les truffes, les champignons peuvent, par exemple, concentrer le césium dans leurs tissus.

Dans les années 1990, des scientifiques de l’Institut national de la recherche agronomique de Montpellier ont étudié comment le césium se déplaçait dans les plantes et le sol. Ils ont découvert que différentes espèces de plantes absorbent le césium à des vitesses différentes. La quantité de potassium dans le sol, la densité et la profondeur des racines de la plante affectent également la vitesse à laquelle le césium est absorbé. Selon les résultats, le césium est véhiculé plus facilement grâce à la présence de matière organique dans l’argile. La plante peut ainsi en absorber plus de 90%. Cependant, une grande partie du césium qui est absorbé par la plante est éliminée, mais ne se retrouve pas dans les parties supérieures de la plante.

Après un contact externe avec le césium, les plantes à racines superficielles sont souvent contaminées en premier. Ensuite, environ 10 à 20 ans plus tard, ce sont les plantes qui ont des racines plus profondes et certains champignons qui sont contaminés. Les animaux qui vivent en liberté et se nourrissent de plantes contaminées subissent également une contamination. Cependant, le degré varie en fonction de leur position dans la chaîne alimentaire. Quant à la durée de contamination des arbres, elle reste encore indéterminée.

Le césium 137 a été libéré en quantité dans l’environnement à la suite de l’accident de la centrale nucléaire de Tchernobyl en 1986. Il est particulièrement présent et stable dans les écosystèmes forestiers, en particulier dans les régions où il a plu lors de l’accident. Il s’est accumulé dans les sols forestiers, en particulier dans les creux et les parties inférieures des montagnes. Les analyses effectuées depuis l’accident ont révélé un taux de contamination élevé de césium radioactif dans les produits de forêt de ces zones.

Occurrence du césium dans la chaîne alimentaire

Les racines, les rhizomes, les tubercules, et notamment les champignons peuvent être contaminés, si le sol dans lequel ils poussent est déjà rempli de substances radioactives. Les animaux qui les consomment peuvent ensuite être contaminés à leur tour, et cela de manière durable. Le sanglier est particulièrement vulnérable à la bioaccumulation du césium 137. En effet, il accumule cet élément dans son organisme tout au long de sa vie. En effet, non seulement il se nourrit de champignons et de racines, mais il fouille également le sol pour chercher de la nourriture. Il est également un animal nécrophage.

Une étude menée en Allemagne montre que la radioactivité moyenne de la viande de chevreuil a diminué au fil des ans, mais pas celle du sanglier. Les analyses ont montré que la teneur en césium 137 chez les sangliers pouvait varier considérablement, entre 5 Bq/kg à plus de 8 000 Bq/kg. Les chercheurs ont constaté que les facteurs saisonniers et environnementaux, tels que les choix alimentaires et les conditions météorologiques, peuvent influencer la quantité de césium 137 que les sangliers absorbent.

Transmission

La transmission du radiocésium a été étudiée en Suède. Ces études montrent que la quantité de césium dans le corps dépend non seulement de sa présence dans l’environnement, mais aussi du sexe de la personne.

La quantité de césium radioactif a été mesurée dans les familles qui pratiquent la chasse dans 5 zones différentes. Les résultats montrent que la quantité de césium 137 présente dans le corps variait selon le sexe, avec une quantité plus élevée chez les hommes (0,6 à 4,7 kBq) que chez les femmes (0,3 à 1,9 kBq). Les chasseurs suédois qui consomment régulièrement du gibier ont des niveaux de radioactivité élevés. En effet, le taux de césium 137 dans le gibier varie selon la saison et les sites. Ce taux est plus élevé en automne, lorsque les champignons sont abondants et que les animaux en consomment davantage.

Cependant, une autre étude menée entre 1994 et 1998 a montré que la quantité moyenne de césium 137 dans le corps des chasseurs avait diminué de 37 % en deux ans. Cela s’explique par la demi-vie écologique du césium, qui est d’environ 6 ans. La quantité de césium 137 dans l’environnement diminue lentement au fil du temps.

Une autre étude a été menée en 2017 pour mesurer le degré d’exposition des chasseurs suédois à la quantité de radiation suite à l’accident de Tchernobyl. Les scientifiques ont constaté que les chasseurs vivant dans trois zones contaminées ont reçu en moyenne une dose de radiation totale à vie entre 4,1 mSv et 8,3 mSv. La dose de radiation totale correspond à la quantité totale de radiation que le corps peut absorber et elle est mesurée en millisieverts (mSv). Les doses étaient en moyenne plus élevées pour les hommes que pour les femmes, les hommes ayant une dose totale d’environ 40% plus élevée que les femmes. La plupart de la radiation a été absorbée par leur corps en mangeant de la nourriture contaminée, ce qui représente environ 75% de la dose totale. Enfin, l’étude a estimé que l’ensemble de la population de chasseurs et leurs proches, soit environ 44 000 personnes, ont été exposés à une dose totale de radiation de 256 mSv au cours de leur vie.

Comportement dans l’organisme humain

Le césium peut être dangereux pour la santé, s’il est inhalé ou ingéré. Une fois dans le corps, il se répand rapidement dans tout l’organisme. Les scientifiques ont découvert que chez les animaux, jusqu’à 98 % du césium ingéré peut être absorbé par l’intestin. D’autre part, chez l’homme, le césium est absorbé par le corps à 100 %, sauf s’il est sous une forme physico-chimique qui le rend moins soluble ou moins absorbable.

Les particules de césium sont principalement ingérées par l’organisme via la nourriture ou l’eau contaminée et sont ensuite absorbées dans le système gastro-intestinal. Toutefois, des études ont montré que le césium peut aussi être transféré de manière percutanée : il peut pénétrer dans l’organisme à travers la peau. Par exemple, une exposition cutanée au césium peut se produire lorsqu’une personne est en contact avec des matières contaminées. Il peut s’agir de poussière ou de la terre contenant des particules de césium.

Lorsqu’il est absorbé par le corps humain, le césium stable et radioactif se comporte de manière similaire. Le césium est rapidement absorbé, en raison de sa similarité avec le potassium et a tendance à rester plus longtemps dans le corps humain. Le césium est ensuite transporté par le sang pour remplacer le potassium dans l’organisme, où il se retrouve en grande partie dans les muscles. Certains tissus tels que les glandes surrénales, le foie, l’aorte et la rate l’absorbent aussi à la place du potassium. Le césium peut facilement traverser la barrière placentaire et atteindre le fœtus en développement. Il peut également franchir la barrière protectrice du cerveau, causant ainsi des dommages à long terme, en raison de son potentiel radioactif.

La toxicité du césium 137 est principalement due à sa radioactivité. Selon l’Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire, le césium 137 peut avoir des effets néfastes sur le processus biologique des animaux et des humains. Il peut affecter le système immunitaire, qui est responsable de la défense du corps contre les infections et les maladies. Il peut également causer des malformations congénitales et des troubles du système nerveux chez les enfants. Des études sur des rongeurs ont montré que des doses faibles de césium 137 ingérées peuvent perturber le cycle de sommeil et affecter le système circulatoire. Cet élément peut perturber des fonctions métaboliques essentielles telles que le métabolisme des hormones stéroïdiennes, de la vitamine D et du cholestérol. Cela peut se produire même en l’absence de symptômes cliniques apparents, rendant difficile la détection de la contamination environnementale.

Pour examiner les effets de la contamination radioactive de Tchernobyl, les scientifiques ont contaminé les rats avec de faibles doses de césium 137 sur une longue période de temps. L’étude a montré que les rats contaminés avaient des différences de métabolisme qui ne pouvaient pas être détectées par les marqueurs cliniques habituels. En 2004, l’IRSN a estimé que le césium, combiné à d’autres substances présentes dans l’environnement, pourrait augmenter les risques de maladies non cancéreuses dans certaines régions du monde.

La principale voie d’élimination du césium est l’urine. Cependant, une petite partie du césium ingéré peut former des composés insolubles dans l’urine et sera plutôt éliminée dans les selles. Si une personne ingère du césium, près de la moitié de la quantité ingérée sera éliminée de son corps après 27 jours. Le césium n’est détectable dans l’urine que pendant cette période. Ensuite, il sera éliminé du corps.

Désintoxication

Les ions césium et thallium ont la capacité de se fixer dans les sites tétraédriques de la structure moléculaire. Cela les rend disponibles pour les organismes vivants tels que les plantes. Cependant, le bleu de Prusse peut les piéger dans une forme insoluble qui n’est pas disponible pour les plantes et autres organismes vivants. En absorbant ces ions, le bleu de Prusse réduit leur impact écologique et empêche leur absorption par les plantes. Le bleu de Prusse est ensuite éliminé du corps par les selles, qui peuvent être colorées en bleu très foncé, en raison de sa présence.

Protection de l’environnement

Après l’accident nucléaire de Fukushima survenu en mars 2011 au Japon, l’Institut national de science industrielle avancée et de la technologie japonaise a développé une méthode. Celle-ci consiste à mesurer la contamination de l’eau et des sols par l’isotope radiogénique césium. Le développement de cette méthode de mesure utilise le bleu de Prusse. Ce composé a pour rôle de piéger le césium radioactif présent dans l’eau et les sols, afin de mesurer leur taux de contamination. Ces pastilles de bleu de Prusse ont ensuite été commercialisées sous l’appellation Radiogardase pour être utilisées comme traitement contre l’ingestion de césium ou de thallium dans le corps humain.

Réglementation

Des limites ont été mises en place pour protéger la santé publique contre les effets nocifs du césium radioactif. Ces limites définissent la quantité maximale de césium radioactif autorisée dans les aliments. En France, si la limite est de 370 Bq/kg pour les aliments destinés aux nourrissons, le seuil maximal des autres aliments est fixé à 600 Bq/kg.

En cas d’accident nucléaire, des normes temporaires peuvent être adoptées pour réglementer l’importation de produits provenant de contaminées. En Europe, c’est la loi (UE) n° 733/2008 et n° 996/2012 qui les réglemente.

Localisation

Le césium se retrouve dans différentes mines à travers le monde. Le gisement Bernic Lake au Canada produit les deux tiers de la réserve mondiale. Des pays européens tels que la Suède, l’Italie, l’Espagne ; et des pays sud-américains comme le Chili et le Brésil en produisent également. De même, des gisements figurent en Asie (Tibet, Inde, Afghanistan), en Afrique (Zimbabwe, Namibie) et aux États-Unis (Maine, Dakota du Sud).

La demande mondiale en césium pur est relativement faible par rapport à la demande d’autres métaux. En 2004, elle est inférieure à 25 000 kg par an.