La propriété cancérigène principale du plutonium-239 découle de son rayonnement alpha très énergétique. Les particules alpha, étant lourdes, transfèrent leur énergie à d'autres atomes et molécules en moins de collusions que les électrons, beaucoup plus légers, qui sont la cause majeure des dégâts produits par les rayonnements bêta et gamma. Le trajet des particules alpha dans les tissus vivants est court. Ces particules bombardent sans cesse les cellules et les tissus avoisinants. Il en résulte des dégâts biologiques beaucoup plus importants pour la même quantité d'énergie déposée dans les tissus vivants.

L'efficacité relative avec laquelle les différents types de rayonnement infligent des dégâts biologiques varie suivant le type de rayonnement, son énergie, et l'organe du corps qui est irradié. Un simple facteur, le facteur de qualité, est utilisé, pour des raisons de normes, pour indiquer le danger relatif des rayonnements alpha, bêta, gamma, et neutroniques. À l'heure actuelle, la Commission internationale de protection radiologique (ICRP)recommande d'utiliser pour le rayonnement alpha un facteur de qualité de 20 vingt fois supérieur à celui du rayonnement gamma.¹

Une fois incorporé, le plutonium-239 se dépose de préférence dans les tissus mous, notamment le foie, sur les surfaces osseuses, et dans les régions osseuses qui ne contiennent pas de cartilage. La déposition dans la moelle osseuse peut avoir des effets particulièrement néfastes sur la formation du sang qui se fait à cet endroit. Au contraire, le radium-226, un autre émetteur alpha, est un analogue chimique du calcium et se dépose dans les régions calcifiées des os.

A l'extérieur de l'organisme, le plutonium est habituellement moins dangereux que les sources de rayonnement gamma. Puisque les particules alpha transmettent leur énergie sur une courte distance, le plutonium à proximité du corps dépose pratiquement toute son énergie dans les couches externes, non vivantes de la peau, où elle ne peut pas produire d'effets biologiques nocifs.

Les photons gamma émis par la désintégration du plutonium-239 pénètrent dans l'organisme mais, comme ils sont peu nombreux et faibles, une quantité considérable de plutonium serait nécessaire pour atteindre des doses significatives de radiation gamma. C'est pourquoi, le plutonium peut être transporté sous une protection minimale, sans risques d'effets radiologiques immédiatement sérieux. L'inhalation du plutonium-239 pose le plus grand danger, plus particulièrement quand il est sous la forme d'oxyde de plutonium, une forme insoluble très répandue. L'absorption du plutonium dans le sang à partir de coupures et écorchures constitue un autre danger, surtout pour les ouvriers et (autrefois) pour les équipes qui participaient au programme d'essais nucléaires atmosphériques. Le risque d'absorption par ingestion est en général moindre que celui de l'inhalation, parce que le plutonium n'est pas facilement absorbé par la paroi intestinale, la presque totalité étant ainsi excrétée.

Le type de dégâts infligés par le plutonium-239 et la probabilité avec laquelle il produit ces dégâts dépend du mode d'incorporation du plutonium, de la forme chimique, et de la taille des particules. Les modes habituels d'incorporation par des individus du public sont l'inhalation et l'ingestion. Le plutonium peut être ingéré accidentellement par contact main bouche avec de la terre contenant du plutonium, ou par la consommation d'aliment ou d'eau contaminés.

En général, le plutonium sous forme de grosses particules produit des dégâts biologiques moindres. Pour une même quantité, le plutonium est plus dangereux sous forme de fines particules. En effet, quand des particules de plus gros diamètre sont inhalées, elles tendent à être piégées par les poils nasaux, ce qui empêche leur passage dans les poumons. Les particules plus petites entrent, elles, dans les alvéoles où elles demeurent, irradiant les tissus environnants.

D'autres isotopes du plutonium émettent des rayons alpha, comme par exemple le plutonium-238. Ils produisent des effets sur la santé semblables à ceux du plutonium-239, par unité de radioactivité. Mais la radioactivité par unité de poids varie suivant l'isotope. Par exemple, le plutonium-238 est 270 fois plus radioactif que le plutonium-239 par unité de poids.

Les données expérimentales

Les effets du plutonium sur la santé ont été étudiés surtout sur la base d'expérimentations effectuées sur des animaux de laboratoire. Quelques analyses ont été aussi faites sur des cohortes de travailleurs et de personnes du public exposées à une contamination par le plutonium. On a également procédé aux Etats-Unis à des injections de plutonium à des êtres humains. Entre 1945 et 1947, on a injecté 18 personnes avec du plutonium pour obtenir des données sur le métabolisme du plutonium. Ces expérimentations on été faites sans le consentement de ces personnes et ont fait l'objet de critiques considérables depuis que leur existence a été officiellement dévoilée en 1993.

Des études sur le chien beagle avaient montré que l'inhalation d'une petite quantité de plutonium sous forme d'oxyde insoluble avait une très haute probabilité d'induire un cancer du poumon. En extrapolant ces données à l'homme, le chiffre pour une charge fatale de plutonium au poumon est d'environ 27 microgrammes. Bien sûr, une telle extrapolation à partir des animaux présente quelques incertitudes. Cependant il est raisonnable de conclure que plusieurs dizaines de microgrammes de plutonium-239 dans les poumons augmenteraient considérablement les risques de cancer du poumon. De plus grandes quantités de plutonium produiraient aussi des problèmes de santé à cours terme.

Les effets quantitatifs précis de quantités de plutonium considérablement plus petites ne sont pas encore bien connues. Plusieurs facteurs interviennent, tels que:

• la difficulté de mesurer le plutonium dans l'organisme; les incertitudes sur les taux d'excrétion et le métabolisme dues aux grandes variations d'un individu à un autre (si bien que la même charge de plutonium produirait des doses considérablement différentes);
• la consommation de cigarettes;
d
• es incertitudes dans les données (comme, par exemple, le moment où l'ingestion ou l'inhalation s'est produite);
• des contacts différents et largement inconnus avec d'autres substances cancérigènes (aussi bien radioactives que non radioactives) durant les longues périodes pendant lesquelles ces études ont été menées;
• l'incapacité à étudier et suivre, dans la mesure du possible, la santé des employés qui ont travaillé avec du plutonium dans l'industrie des armes nucléaires.

Une des rares tentatives de suivi, pour analyser les effets de l'exposition de sujets à des doses de quelques microgrammes de plutonium, est une étude à long terme sur 26 "hommes de race blanche" du Manhattan Project qui furent exposés à Los Alamos en 1944 et 1945 sur le lieu de fabrication des premières armes atomiques. Ces sujets ont été suivis pendant de nombreuses années, les bilans de leur état de santé ont été publiés, le plus récent en 1991.²

Les quantités de plutonium présentes dans les organismes de ces sujets ont été estimées à "110 Bq (3 nCi) au minimum et 6960 Bq (188 nCi) au maximum."³ Ces quantités correspondent à des poids allant de 0,043 microgrammes à 3 microgrammes. Cependant les faiblesses de cette étude laissent beaucoup d'incertitudes quant à la quantité et la solubilité du plutonium effectivement incorporé au moment de l'exposition.⁴

Sept de ces sujets étaient décédés en 1991. Un cancer des os (sarcome osseux) était à l'origine de l'un des décès.⁵ Le cancer des os est rare chez les humains. Sa fréquence attendue dans un groupe de 26 personnes sur une durée de 40 ans est seulement de 1 sur cent. Ainsi son existence chez une personne exposée au plutonium (qui d'ailleurs a reçu une dose inférieure au seuil admis par les règles de radioprotection) est significative.⁶

Il y a des données sur l'exposition au plutonium dans d'autres pays, notamment en Russie. Celles ci sont encore en cours d'évaluation.