Qu’est-ce que le rayonnement de Tcherenkov ?
Le nucléaire expliqué
Le rayonnement de Tcherenkov est une forme d’énergie que nous percevons comme une lumière bleue. Il se produit lorsque les électrons et les protons, particules chargées électriquement qui composent les atomes, se déplacent plus vite que la lumière dans un milieu spécifique.
Le rayonnement de Tcherenkov est une forme d’énergie que nous percevons comme une lumière bleue. Il se produit lorsque les électrons et les protons, particules chargées électriquement qui composent les atomes, se déplacent plus vite que la lumière dans un milieu spécifique. Il doit son nom à Pavel Tcherenkov, co-lauréat du prix Nobel de physique de 1958 avec Ilya Frank et Igor Tamm, pour avoir été le premier à démontrer et à expliquer ce phénomène.
Comment une particule peut-elle se déplacer plus vite que la lumière ?
Dans le vide, rien ne se déplace plus vite que la lumière. Dans d’autres milieux, certaines particules peuvent être plus rapides. Par exemple, dans l’eau, la lumière perd un quart de sa vitesse, alors que d’autres particules ne ralentissent pas autant et finissent donc par la dépasser. Chaque fois que ce phénomène se produit, une lumière bleue ou violette apparaît.
Le rayonnement de Tcherenkov se produit, entre autres, dans l’eau où se trouve le combustible des réacteurs nucléaires – ici le réacteur belge BR-2. La réaction dans le cœur du réacteur pousse les particules chargées électriquement à se déplacer à très grande vitesse (Photo : SCK•CEN).
Pourquoi la lumière est-elle bleue ?
Lorsque des particules chargées se déplacent plus vite que la lumière dans un milieu comme l’eau, elles perturbent l’équilibre énergétique des atomes qui se trouvent sur leur chemin. Pour rétablir cet équilibre, les atomes libèrent des photons, particules qui composent la lumière visible, et créent une « onde de choc » lumineuse.
C’est le même principe que celui de la détonation supersonique qui retentit lorsque des mouvements plus rapides que le son se produisent.
Les différentes couleurs que les yeux perçoivent sont en réalité différents types d’ondes composées de photons.
Dans le rayonnement de Tcherenkov, les hautes énergies poussent les photons à se déplacer sous forme d’ondes courtes de haute fréquence – ces mêmes ondes que l’on retrouve dans la couleur violette et la couleur bleue. Plus la fréquence est élevée, plus l’onde est courte, et plus la lumière apparaît bleue ou violette. Le rayonnement ultraviolet n’est pas visible à l’œil nu mais peut être observé à l’aide d’outils spécifiques de mesure du rayonnement de Tcherenkov.
Plus la fréquence est élevée, plus l’onde est courte, et plus la lumière apparaît bleue ou violette (Infographie : A. Vargas/AIEA).
Le rayonnement de Tcherenkov produit dans l’eau est émis sur un large spectre continu, et la lumière provient principalement des zones bleue, violette et ultraviolette du spectre électromagnétique (Infographie : A. Vargas/AIEA).
Quelles sont certaines des applications du rayonnement de Tcherenkov ?
Le rayonnement de Tcherenkov se produit généralement lorsque des matières radioactives sont plongées dans l’eau. Les matières nucléaires qui composent les matières radioactives peuvent être utilisées à des fins pacifiques (comme la production d’énergie), mais également pour la fabrication d’armes nucléaires.
Le mandat de l’AIEA consiste notamment à s’assurer que les matières et installations nucléaires sont utilisées à des fins pacifiques. Les États communiquent à l’AIEA l’emplacement, la quantité, la composition chimique, la forme physique et l’utilisation des matières nucléaires en leur possession, conformément à leurs accords de garanties, et l’AIEA s’assure que les informations fournies sont complètes et correctes.
Le matériel spécialisé, tel que les dispositifs d’observation de l’effet Tcherenkov de la prochaine génération (XCVD) ou les dispositifs numériques d’observation de l’effet Tcherenkov (DCVD), qui captent la lumière émise, permet aux inspecteurs des garanties d’analyser les matières nucléaires dans les installations nucléaires et ailleurs et de comparer ces données aux informations fournies par les États. Par exemple, les inspecteurs peuvent mesurer le rayonnement de Tcherenkov dans les bassins d’entreposage du combustible usé des réacteurs nucléaires et déterminer si l’État a déclaré la quantité exacte. Ils peuvent ainsi vérifier si une partie des matières nucléaires du combustible nucléaire usé a été détournée des utilisations pacifiques.
Pour en savoir plus sur les techniques et le matériel utilisés dans le cadre des garanties nucléaires, cliquez ici.
Un bassin de combustible usé (Photo : D. Calma/AIEA).
Quel est le rôle de l’AIEA ?
- Grâce à une série de mesures techniques appelées « garanties », l’AIEA vérifie que les États respectent leurs obligations juridiques internationales et n’utilisent les matières et la technologie nucléaires qu’à des fins pacifiques. Ce travail de vérification indépendante permet à l’Agence de jouer un rôle indispensable dans la prévention de la prolifération des armes nucléaires.
- Les garanties de l’AIEA sont une composante essentielle du système international de sécurité. Le Traité sur la non-prolifération des armes nucléaires (TNP), pierre angulaire des efforts mondiaux de prévention de la prolifération des armes nucléaires, dispose en son article 3 que tout État non doté d’armes nucléaires doit conclure un accord de garanties généralisées avec l’AIEA.
- La technologie nucléaire est en constante évolution. Les quantités de matières nucléaires et le nombre d’installations nucléaires soumises aux garanties de l’AIEA ne cessent d’augmenter. Pour en savoir plus sur les faits marquants concernant les garanties de l’AIEA en 2021, cliquez ici.
Cherenkov radiation is a form of energy that we can perceive as a blue glow emitted when the electrically charged particles that compose atoms (i.e. electrons and protons) are moving at speeds faster than that of light in a specific medium. Cherenkov radiation is named after the 1958 Physics Nobel Prize laureate, Pavel Cherenkov, who shared the award with Ilya Frank and Igor Tamm, for being the first to experimentally demonstrate and explain this glow.
How can something travel faster than light?
Nothing can travel faster than the speed of light in a vacuum. However, in other mediums, particles can potentially move faster than light. For instance, while in water, light would instantly slow down to 75% of its normal speed, but there are other particles that don’t slow down as much and end up moving faster than light. Whenever that happens, a blue or violet glow occurs.
Cherenkov radiation is present, among others, in the water that surrounds the fuel in nuclear reactors. Electrically charged particles moving at very high speeds are a by-product of the reaction inside the reactor. (Photo: IAEA)
Why is it blue?
When charged particles moving faster than light travel in, for example, water, they perturb the energy equilibrium of the atoms that are in their way. In order to regain equilibrium, those atoms release photons – the types of particles that compose visible light, creating a “shock-wave” of visible light. It is the same effect as the sonic boom when faster-than-sound movements occur, but on the light spectrum.
The different colours that human eyes perceive are actually different types of waves made up of photons.
Due to the high energies at play during Cherenkov radiation, the photons travel as waves that have high frequencies and short wavelengths, which are typical of violet and blue colours. The higher the frequencies and the shorter the wavelengths are, the bluer or more violet the light appears to the human eye. Ultraviolet is not visible to the human eye but can be captured with specific tools measuring the Cherenkov radiation.
The higher frequencies and shorter wavelengths, the bluer or more violet the light appears to the human eye. (Infographic: A.Vargas/IAEA)
Cherenkov radiation produced in the water is emitted across a broad, continuous spectrum, and most of the light is produced predominantly in the blue, violet, and ultraviolet region of the electromagnetic spectrum. (Infographic: A.Vargas/IAEA)
What are some of the applications of Cherenkov radiation?
Cherenkov radiation usually occurs in radioactive materials immersed in water. Nuclear material, of which radioactive material is a by-product, can be used for peaceful purposes (such as energy production), but also for nuclear weapons.
The IAEA’s mandate includes verifying that nuclear material and facilities remain in peaceful use. States declare to the IAEA the location, amount, chemical composition, physical form and use of their nuclear material under their safeguards agreements, and the IAEA verifies that the information reported by the State is complete and correct.
By using specialized equipment, namely The neXt generation Cherenkov viewing devices (XCVDs) or digital Cherenkov viewing devices (DCVDs), that captures the light emitted, Nuclear Safeguards Inspectors can analyse nuclear material at nuclear facilities and other locations and compare that data to the information reported by the State. For instance, they can measure the Cherenkov radiation present in the ponds where the spent fuel from nuclear reactors is stored and determine whether or not the reported amount of spent nuclear fuel is accurate. In this way, they can detect if any of the nuclear material from spent nuclear fuel has been diverted from peaceful use.
Learn more about the use of the nuclear safeguards techniques and equipment here.
A spent fuel pond. (Photo: D. Calma/IAEA)
What is the role of the IAEA?
- Through a set of technical measures, or safeguards, the IAEA verifies that States are honouring their international legal obligations to use nuclear material and technology only for peaceful purposes. Its independent verification work allows the IAEA to play an indispensable role in preventing the spread of nuclear weapons.
- IAEA safeguards are an essential component of the international security system. The Treaty on the Non-Proliferation of Nuclear Weapons (NPT) is the cornerstone of global efforts to prevent the spread of nuclear weapons. Under the Treaty’s Article III, each non-nuclear weapon State is required to conclude a comprehensive safeguards agreement with the IAEA.
- The field of nuclear technology is developing continuously. The amount of nuclear material and the number of nuclear facilities under IAEA safeguards are growing steadily. Read the IAEA key safeguards facts here.