Le radon dans le sol

Le radon-222 est généré en continu partout où le radium-226 existe. Dans le sol et la roche, le ²²⁶Ra est incorporé dans les réseaux cristallins des minéraux — se substituant au baryum, au strontium ou au calcium, ou adsorbé sur les surfaces des grains.

Lorsqu'un atome de ²²⁶Ra subit une désintégration alpha (demi-vie 1600 ans), il émet une particule alpha de 4,78 MeV et recule en tant qu'atome ²²²Rn nouvellement formé. Ce recul, entraîné par la conservation de la quantité de mouvement, propulse l'atome de radon dans la direction opposée avec une énergie d'environ 86 keV.

La portée de recul — la distance que l'atome de radon parcourt avant de s'arrêter — est typiquement de 20 à 70 nanomètres dans les cristaux minéraux (plus courte dans les minéraux plus denses comme le zircon, plus longue dans les matériaux de faible densité comme les argiles). Que l'atome de radon finisse dans l'espace poreux (où il peut migrer) ou reste piégé dans le grain solide dépend entièrement de l'endroit où se trouvait le radium parent et dans quelle direction le recul s'est produit.

Le coefficient d'émanation (ou pouvoir d'émanation) est la fraction du radon généré qui s'échappe réellement des grains solides dans les pores remplis d'air ou d'eau. Il est défini comme le rapport entre le radon libéré et le radon total généré.

Les valeurs typiques varient de 0,05 (5 %) pour les roches massives à grain grossier avec une faible porosité à 0,70 (70 %) pour les sols argileux fins avec une surface spécifique élevée et une teneur en humidité optimale. Les valeurs médianes pour les sols typiques sont de 0,20 à 0,40.

Le coefficient d'émanation dépend de plusieurs facteurs : la taille des grains (les grains plus petits ont une surface spécifique plus élevée, donc plus de radium près des surfaces et une émanation plus élevée), la teneur en humidité (l'eau dans les pores augmente l'émanation jusqu'à un optimum de ~10–20 % de saturation, puis la diminue à mesure que l'eau bloque les pores), la minéralogie (le radium dans les minéraux microfracturés ou météorisés émane plus facilement), et la température (une température plus élevée augmente légèrement l'émanation).

La concentration de radon dans l'air du sol (C_soil) à l'équilibre est déterminée par l'équilibre entre la génération (à partir de la désintégration du radium), l'émanation (échappement dans les pores) et la perte (désintégration radioactive et transport).

Une équation simplifiée pour le radon dans l'air du sol en conditions statiques (pas de transport) est : C_soil = (C_Ra × ε × ρ × (1 - n)) / n, où C_Ra est la concentration d'activité du radium dans le sol (Bq/kg), ε est le coefficient d'émanation (sans dimension), ρ est la densité apparente du sol (kg/m³), et n est la porosité remplie d'air (fraction volumique).

Les concentrations typiques de radon dans l'air du sol vont de 1 000 Bq/m³ à plus de 1 000 000 Bq/m³, avec des valeurs médianes de 10 000 à 50 000 Bq/m³. Ces concentrations sont de 100 à 1000 fois plus élevées que les concentrations de radon intérieur typiques, créant le gradient de concentration qui alimente l'entrée de radon dans les bâtiments.

L'humidité du sol a un effet complexe et non linéaire sur le radon. À une faible teneur en humidité (<5 % de saturation), l'émanation est faible car le recul du radon se produit principalement dans les grains solides ou rebondit dans les pores.

À une teneur en humidité modérée (environ 10 à 20 % de saturation), l'émanation est maximisée car de minces films d'eau recouvrent les surfaces des grains, piégeant les atomes de radon qui reculent depuis près de la surface et les libérant dans les pores remplis d'air.

À une teneur en humidité élevée (>40–60 % de saturation), l'eau remplit les pores et bloque le transport du radon par diffusion et advection, réduisant la disponibilité du radon même si l'émanation reste élevée. Le radon se dissout dans l'eau interstitielle et se déplace beaucoup plus lentement.

Cet effet d'humidité explique pourquoi les niveaux de radon intérieur varient souvent de manière saisonnière : les sols secs en été permettent un transport de radon plus élevé ; les sols humides au printemps et en automne réduisent le transport mais peuvent avoir une émanation plus élevée.

La perméabilité du sol (k, mesurée en m²) régit la facilité avec laquelle le gaz peut s'écouler à travers le sol sous un gradient de pression. Une perméabilité élevée (sables grossiers, graviers, sols fissurés) permet un transport advectif efficace du radon sur plusieurs mètres.

Une faible perméabilité (argiles, limons, sols saturés) restreint le mouvement du gaz, limitant le radon à un transport diffusif sur des distances de <1 mètre. Paradoxalement, les sols argileux à faible perméabilité ont souvent des coefficients d'émanation élevés mais fournissent peu de radon aux bâtiments car le transport est limité.

La perméabilité typique du sol varie sur plusieurs ordres de grandeur : graviers (10⁻⁹ à 10⁻⁸ m²), sables (10⁻¹¹ à 10⁻¹⁰ m²), limons (10⁻¹³ à 10⁻¹² m²), argiles (10⁻¹⁵ à 10⁻¹⁴ m²). Une perméabilité >10⁻¹² m² est généralement nécessaire pour un transport advectif significatif du radon.

Le radon dans le sol est mesuré en insérant une sonde dans le sol (typiquement 0,5 à 1,5 m de profondeur), en extrayant un échantillon de gaz du sol et en mesurant l'activité du radon à l'aide d'un scintillateur ou d'une chambre d'ionisation.

Les mesures de radon dans le sol varient spatialement et temporellement en raison de l'hétérogénéité du sol, des variations de l'humidité, de la pression barométrique et de la température. Des mesures répétées ou des mesures à long terme sont nécessaires pour une évaluation fiable du potentiel radon du sol.

La perméabilité du sol est mesurée en enfonçant une sonde, en appliquant un vide ou une surpression connus, et en mesurant le débit de gaz. Le coefficient de perméabilité est calculé à partir de la loi de Darcy.

Le coefficient d'émanation est mesuré en laboratoire en plaçant des échantillons de sol dans des conteneurs scellés, en attendant l'équilibre, et en mesurant la concentration de radon dans l'espace aérien, puis en la comparant à la concentration attendue si toute l'activité du radium était émanée.