Dans les situations extrêmes, la rapidité est de mise: des scientifiques de l’Institut Paul Scherrer PSI ont développé une nouvelle méthode de calcul qui permet d’identifier du matériel radioactif en quelques secondes, mais aussi de déterminer sa quantité et sa position, le tout avec une plus grande précision. Ce procédé améliore nettement la méthode de détection conventionnelle en hélicoptère. Il peut également être utilisé en géophysique ou dans le contrôle des matériaux nucléaires.
Il existe des situations d’urgence dont on n’espère qu’elles ne se produiront jamais, mais la société et le gouvernement veulent néanmoins s’y préparer. Parmi ces scénarios figure une éventuelle fuite radioactive, consécutive à un accident nucléaire ou à un attentat terroriste impliquant du matériau radioactif. Pour que les autorités puissent réagir de manière rapide et efficace en pareille situation – en ordonnant des évacuations, en distribuant du matériel de protection adapté ou des tablettes d’iode –, il faut d’abord estimer l’ampleur du danger pour l’être humain et l’environnement. Dans de telles situations, on aurait notamment recours à des laboratoires volants, c’est-à-dire à des détecteurs embarqués à bord d’hélicoptères qui permettent de déterminer la position, mais aussi le type et la quantité de matériel radioactif.
Dans le cadre de sa thèse de doctorat au Laboratoire d’étalonnage et de calibrage au Département de radioprotection et de sécurité de l’Institut Paul Scherrer PSI, David Breitenmoser a développé des outils mathématiques qui améliorent nettement l’analyse des données en laboratoire volant. Ils permettent d’identifier du matériel radioactif avec une plus grande précision en l’espace de quelques secondes. Les résultats de ces travaux de recherche viennent d’être publiés dans la revue spécialisée Nature Communications. La nouvelle méthode d’analyse n’est pas seulement utile en cas de catastrophe, elle peut également être appliquée dans le cadre de la surveillance des installations nucléaires.
L’empreinte déformée
«Chaque matériau radioactif a une empreinte caractéristique, due aux rayons gamma qu’il émet lors de la désintégration radioactive», explique David Breitensmoser. Cette empreinte est constituée par le spectre d’énergie du rayonnement gamma, qui peut être mesuré à l’aide d’un détecteur spécial. En principe, la distribution des énergies des rayons gamma permet de déduire aussi bien le type de matériau que sa quantité.
Néanmoins, il y a une difficulté: les photons gamma émis par le matériau – les particules lumineuses à haute énergie dont sont composés les rayons gamma – sont dispersés par l’air et l’hélicoptère à bord duquel se trouve le détecteur pendant leur trajet vers ce dernier. Cela modifie le spectre énergétique. Autrement dit, l’empreinte est déformée et n’est plus directement identifiable.
Afin de découvrir comment l’empreinte d’un radionucléide se déforme et de calibrer le détecteur en fonction, les scientifiques simulent ces effets à l’ordinateur. Il s’agit toutefois de calculs très complexes qui peuvent prendre plusieurs heures, voire plusieurs jours. Pour les applications où le temps est un facteur critique, comme un accident nucléaire, ils ne sauraient entrer en ligne de compte.
«Les simulations étaient passablement inefficaces, jusqu’ici, rappelle David Breitenmoser. C’est l’une des raisons de leur extrême lenteur.» Sur les 10 000 photons gamma émis par une source radioactive au sol, par exemple, un seul atteint l’hélicoptère. Et ce après avoir été dispersé de surcroît par les nombreuses surfaces métalliques qui se trouvent à l’intérieur de ce dernier.
Séparer pour obtenir des simulations plus rapides
C’est ici qu’intervient la méthode de David Breitenmoser: au lieu de simuler le trajet des photons gamma du sol au détecteur volant, il sépare le problème en deux parties. Comme les simulations prennent en compte la température actuelle de l’air et l’altitude de vol de l’hélicoptère, par exemple, la dispersion dans l’air est calculée séparément. Quant à l’autre dispersion à l’intérieur de l’hélicoptère, qui dépend notamment de son assiette, elle est prise en compte à l’aide de fonctions mathématiques calculées au préalable. Une simulation complète ne prend dès lors plus que quelques microsecondes, et ne dure plus plusieurs heures.
Toutefois, le calcul rapide ne suffit pas pour identifier incontestablement l’empreinte déformée. Avec le faible nombre de photons gamma qui atteignent le détecteur, les statistiques sont extrêmement médiocres: au lieu de lignes nettes, on n’obtient que des structures larges et floues. «A ce jour, on considère le regroupement de plusieurs valeurs d’énergie dans le spectre comme la référence absolue, explique Malgorzata Kasprzak, directrice du Laboratoire de calibrage au PSI et coauteure de la nouvelle étude. Cette méthode améliore la puissance statistique de la mesure, mais donne une image plus grossière et, par conséquent, moins d’informations détaillées.» La nouvelle démarche renonce à ce regroupement. En lieu et place, on applique directement sur le spectre complet une modélisation dite de Bayes.
La méthode de Bayes fonctionne avec des probabilités: pour identifier un spectre énergétique malgré des statistiques médiocres, l’ordinateur simule la dispersion des photons gamma du sol au détecteur pour des milliers de spectres de sortie possibles dans différentes proportions. Grâce à la séparation des calculs, cela va très vite. La modélisation de Bayes calcule ensuite le spectre de sortie le plus vraisemblablement associé au spectre déformé mesuré par le laboratoire volant.
Une détermination précise en quelques secondes seulement
«A l’avenir, cela nous permettra de distinguer en quelques secondes des échantillons faiblement radioactifs de baryum ou de césium au terme d’une seule mesure, mais aussi de déterminer leur intensité et de localiser l’endroit où ils se trouvent, le tout avec grande précision», souligne Alberto Stabilini, qui a participé pour le PSI à la conduite des vols de mesure d’aéroradiométrie en Suisse.
Dans le cadre de la campagne de mesure annuelle, des vols ont été effectués par exemple en mai et en juin 2025 autour des centrales nucléaires de Mühleberg et de Gösgen. Lors d’un exercice international, impliquant 140 participants venus de six pays, six hélicoptères et six drones, différents scénarios ont été entraînés, notamment la recherche de sources radioactives. Hormis pour la protection d’urgence, ces vols de mesure permettent également d’établir les cartes de référence sur la radioactivité naturelle, ce qui représente un important domaine d’application pour cette nouvelle méthode d’analyse.
«Il y en a encore d’autres et ils sont nombreux», assure David Breitenmoser. En raison de sa grande sensibilité et de sa haute précision, sa méthode se prête en effet fort bien à la localisation et à la caractérisation de sources radioactives faibles au sol. Elle peut donc être utile pour l’étude géophysique du sous-sol, par exemple, ou pour le contrôle des matières nucléaires mené par l’Agence internationale de l’énergie atomique (AIEA).