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Marianne

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Identifier une réaction nucléaire

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Introduction :

Les atomes sont des éléments indivisibles de la matière. Pourtant, ils sont constitués d’éléments plus petits. Les atomes peuvent prendre la forme d’ions, en gagnant ou perdant des électrons, mais les ions peuvent revenir à la forme fondamentale de l’atome : seule la couche électronique est modifiée, pas le noyau. Peut-on « casser » le noyau d’un atome ? Peut-on « assembler » de nouveaux noyaux ? C’est le domaine des transformations nucléaires que nous allons aborder, celui de l’énergie nucléaire. Elle se manifeste dans le Soleil qui nous réchauffe par la lumière que reçoit la Terre. Nous cherchons à la maîtriser dans les centrales nucléaires.

Les isotopes stables et instables et la radioactivité

Rappelons-nous qu’un atome est caractérisé par son nombre atomique ZZ, c’est-à-dire son nombre de protons. C’est aussi le nombre de ses électrons à l’état fondamental. Nous n’avons cependant pas besoin de nous intéresser aux électrons dans ce cours. Le nombre de neutrons, généralement égal ou légèrement supérieur au nombre de protons, permet de connaître le nombre de masse AA, c’est-à-dire le nombre de nucléons.

Pour le même numéro atomique ZZ, à la même place dans le tableau périodique, il existe plusieurs AA possibles. Chaque forme ZA\dfrac{Z}{A} est un isotope de l’élément chimique (le mot isotope vient du grec et signifie « au même endroit »). La centaine d’éléments atomiques (ZZ) correspondent à environ un millier d’isotopes connus.

Ces isotopes peuvent être stables, et le corps pur naturel est alors constitué d’une proportion naturelle d’isotopes stables. Ceci explique que la masse molaire d’un élément puisse ne pas être totalement proportionnelle à ZZ. Mesurer la masse d’un élément pur naturel permet de déterminer la présence et la proportion d’isotopes stables.

Instabilité des isotopes

D’autres isotopes sont instables et se transforment plus ou moins rapidement. Les isotopes artificiels sont observables brièvement en laboratoire, dans des conditions très spécifiques. D’autres sont observables dans la nature, mais leur proportion diminue progressivement. C’est le cas du carbone 14 (14 nucléons) qui est fixé dans une certaine proportion dans les tissus vivants (végétaux et animaux), puis qui diminue progressivement au fil des siècles après la mort du sujet vivant. Les atomes lourds, au-delà de Z=82Z = 82 (le plomb), ont des isotopes de plus en plus instables. C’est le cas de l’uranium, Z=92Z = 92. L’uranium a 26 isotopes connus, mais les seules formes naturelles sont U235U235, U238U238 qui est très majoritaire, et dans une moindre mesure U234U234. Aucune n’est totalement stable, c’est pourquoi on dit que l’uranium est naturellement radioactif.

Les études montrent que les isotopes instables se désintègrent en émettant des rayonnements : ils sont radioactifs. La radioactivité a été nommée ainsi car elle a été découverte par Henri Becquerel en observant des rayons XX (des ondes radio) émis par des sels d’uranium. Marie et Pierre Curie montreront avec d’autres savants que ces rayonnements ne sont pas limités aux seuls rayons XX. Il y a d’autres types de rayonnements et l’émission de différentes particules. C’est le domaine de la physique nucléaire. Ces émissions de rayons ou de particules correspondent à une émission d’énergie. Ainsi les rayons lumineux du soleil vont chauffer les corps qui vont les intercepter. Ces rayonnements issus de la radioactivité sont très énergétiques, les particules éjectées également. La maîtrise de cette énergie est à l’origine de l’énergie des centrales nucléaires. La notion de désintégration doit se comprendre comme une recombinaison des nucléons, non comme une dispersion totale de tous les nucléons du noyau d’un atome. Un atome père donnera un ou plusieurs atomes fils différents. L’atome père n’est plus le même, il n’est plus intègre.

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Définition

Isotope :

Les isotopes d’un élément chimique sont les différentes formes du noyau possédant le nombre de protons caractéristique de l’espèce, mais un nombre différent de neutrons.

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À retenir

Les espèces chimiques se répartissent en isotopes. Tous ne sont pas stables. Il y a une répartition naturelle des isotopes stables de chaque espèce. Les isotopes sont reconnaissables dans la notation de l’atome par leur nombre A Pour différencier plus rapidement deux isotopes, on fait suivre le symbole de l’élément par le nombre de nucléons de l’isotope (c’est pratique lorsqu’on connaît le nombre atomique de l’élément). On a par exemple C12, C13, C14 ou Fe54, Fe56.

Ci-après les isotopes de l’hydrogène H1\text{H}1 ou H\text{H} , deutérium H2\text{H}2 ou D\text{D} , tritium H\text{H} ou T\text{T}

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Il faut noter que ce sont bien trois hydrogènes, avec un seul proton, mais avec des masses bien différentes : environ 2 fois plus que H1\text{H}1 pour H2\text{H}2 , trois fois plus pour H3\text{H}3. Le deutérium est aussi noté D\text{D}, le tritium T\text{T}. L’« eau lourde » contient du D2O\text{D2O}.

Les principes de désintégration du noyau

Comme un silex qu’un homme préhistorique frappait pour en obtenir soit des éclats coupants, soit des blocs plus manipulables, un atome peut se briser de deux manières : un petit bout peut se séparer, donnant un atome presque complet et une petite particule ; l’atome peut aussi se briser en deux parties à peu près égales. Dans les deux cas, l’atome initial n’est plus complet : il se désintègre. À l’inverse, deux atomes peuvent se rassembler ensemble pour former un nouvel atome. Les deux atomes initiaux se sont désintégrés avant la reformation. Ce sont donc trois types de désintégration.

La règle générale de conservation de la matière

La règle principale est que la matière ne disparaît pas. Elle se traduit par le fait que le nombre total de nucléons reste toujours identique.

Les protons des atomes pères vont se répartir entre les atomes fils. Les neutrons ne disparaissent pas, mais il n’y pas obligatoirement autant de neutrons dans les atomes finaux que dans les atomes initiaux. Des neutrons libres peuvent être éjectés.

La règle de l’instable vers le stable

Une manière de voir ces transitions est de considérer que les systèmes instables vont tendre vers un état plus stable, parfois en plusieurs étapes. Le plomb possède un gros noyau (Z=82Z=82) qui est stable. Des isotopes très instables de gros noyaux comme l’uranium (Z=92Z=92) peuvent progressivement tomber dans l’état stable du plomb.

L’énergie de liaison des noyaux

Les noyaux concentrent les nucléons dans un tout petit espace au centre des atomes. Cela signifie que des forces maintiennent spontanément ces nucléons ensemble : ce sont les interactions fortes, qui font comme office de « points de colle » automatiques. L’énergie qu’il faut apporter pour dissocier les nucléons d’un noyau est appelée énergie de liaison nucléaire : EL\text{EL}. Il est donc possible de définir l’énergie de liaison par nucléon : ELA\dfrac{\text{EL}}{\text{A}}. Plus cette énergie est grande, plus il faut d’énergie pour dissocier un noyau, plus ce noyau est donc stable, comme si les points de colle entre les nucléons étaient plus solides.

Cette énergie de liaison par nucléon a une particularité ; elle augmente jusqu’à A=56\text{A} = 56 (il s’agit du fer) puis diminue progressivement jusque vers A=240\text{A} = 240. C’est la courbe d’Aston. Si ELA\dfrac{\text{EL}}{\text{A}} est l’énergie moyenne nécessaire pour dissocier les nucléons, la liaison des nucléons par recombinaison génère en moyenne ELA\dfrac{\text{EL}}{\text{A}}. C’est pourquoi on présente souvent cette information inversée, dans le sens de l’énergie produite. Ce phénomène se traduit par la courbe des énergies de liaison des noyaux, avec trois zones :

  • en dessous de 40 nucléons, la fusion est possible et permet d’augmenter la stabilité.
  • au-delà de 190 nucléons, c’est la fission qui augmente la stabilité.
  • entre les deux, les atomes sont trop stables.

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Les trois désintégrations principales

La désintégration α\alpha

C’est le cas où un petit bout de l’atome se sépare du noyau. Dans la désintégration α\alpha, la particule qui se sépare est un noyau d’hélium 42He42\text{He}. La particule α\alpha est constituée de deux protons et quatre neutrons. Pour qu’il y ait conservation de la masse (nucléons) et des charges (protons), un noyau père AZX\text{AZX} va se scinder en un noyau fils A4Z2Y\text{A}-4\text{Z}-2\text{Y} et une particule α\alpha qui correspond à un noyau d’hélium.

La réaction s’écrira : AZX\text{AZX}A4Z2Y+42He\text{A}-4\text{Z}-2\text{Y} + 42\text{He}.

C’est l’une des réactions qui permettent de passer d’éléments lourds au plomb.

La fission nucléaire

Les centrales nucléaires, ou les bombes atomiques, utilisent des combustibles comme l’uranium ou le plutonium. Ce sont des éléments au noyau très lourd, susceptibles de fission. Le terme de combustion n’est pas totalement approprié : il n’y a pas de combustion chimique équivalente à celle du carbone et de l’oxygène, mais des transformations nucléaires caractérisées par de gros atomes qui se scindent en deux plus petits.
L’énergie des liaisons de l’atome père est moins importante que la somme des énergies de liaison des deux atomes fils, et cette désintégration libère beaucoup d’énergie.

Les noyaux très lourds sont instables : un apport d’énergie peut les déstabiliser. C’est ce qui arrive dans le cas d’une percussion avec un neutron solitaire. Comme une boule dans un jeu de quilles, le neutron déstabilise le noyau d’uranium ; mais contrairement aux quilles, les protons et les neutrons vont se rassembler sous forme de noyaux plus petits. La recombinaison peut entraîner l’éjection de neutrons qui ne trouveraient pas leur place.

L’équation générale va s’écrire :

AZX+1\text{AZX} + 1 neutron → BZ-uY+CuX+(A+1BC)\text{BZ-uY} + \text{CuX} + (\text{A}+1-\text{B}-\text{C}) neutrons éjectés

L’uranium 235235 va, sous l’action d’un neutron qui le percute, se répartir en un atome de krypton (9236Kr9236\text{Kr}) et un atome de baryum (14156Ba)(14156\text{Ba}). On remarque que 36+56=9236 + 56 = 92 : il n’y a pas de perte de protons. On constate au départ que 9292 neutrons +141+ 141 neutrons =233= 233 neutrons, c’est-à-dire moins que 235. À l’issue, 235+1235 + 1 neutrons deviennent donc 233233 neutrons+3 + 3 neutrons libres.

La réaction peut s’écrire : 23592U+1n9236Kr+14156Ba+3n23592\text{U} + 1\text{n} → 9236\text{Kr} +14156\text{Ba} + 3\text{n}

Cette réaction dégage beaucoup d’énergie, sous forme de radiations dangereuses. Les trois neutrons surnuméraires sont éjectés à grande vitesse.

Si de l’uranium est concentré en un endroit (un réacteur nucléaire par exemple), les 3 neutrons éjectés lors de cette réaction ont une forte probabilité de percuter d’autres noyaux d’uranium et de générer jusqu’à trois autres réactions identiques, et ainsi de suite. C’est ce qu’on appelle la réaction en chaîne.

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Il faut contrôler la réaction pour éviter l’emballement, en l’occurrence une explosion nucléaire. Bien contrôlée, la réaction sera entretenue et dégagera en continu de l’énergie, qui sera transformée en chaleur dans les centrales nucléaires. Les panaches qui s’en échappent ne sont pas des vapeurs nucléaires, mais de la vapeur d’eau. Malheureusement, il faut beaucoup d’eau fraîche, prise dans des fleuves, pour refroidir le réacteur et contrôler la réaction. Cette eau est rejetée dans le fleuve et le réchauffe. Les résidus des combustions nucléaires sont toujours hautement radioactifs. Il faut les retraiter et les entreposer dans des endroits confinés qui seront condamnés pendant des millénaires.

La fusion nucléaire

Deux atomes peuvent également se rencontrer et s’associer : ils fusionnent pour donner un autre atome.

C’est le cas naturel du Soleil et des étoiles. Le Soleil est formé d’énormément d’hydrogène qui se transforme progressivement en hélium. Cette réaction produit beaucoup d’énergie en permanence, dont les manifestations directement perceptibles pour nous sont la chaleur et la lumière du jour. Cet énorme réacteur nucléaire finira un jour, dans très longtemps, par s’arrêter. Les astrophysiciens observent la vie des étoiles : certaines sont jeunes, d’autres vieilles et mourantes.

Il faut beaucoup de chaleur et de pression pour que ces réactions soient possibles. Deux nucléons éloignés ne vont pas fusionner. Pour que les liaisons se créent, il faut que les atomes légers s’interpénètrent pour rapprocher suffisamment tous les nucléons des deux noyaux.

Sur Terre, les atomes susceptibles de fusionner sont des isotopes de l’hydrogène, le deutérium 21H21\text{H} et le tritium 31H31\text{H}, qui forment de l’hélium 42H42\text{H}. Dans certaines étoiles massives, les conditions sont réunies pour réaliser la fusion d’atomes plus lourds que l’hydrogène.

Sur Terre, l’hydrogène est essentiellement constitué de l’isotope stable 1H1\text{H} (un proton sans neutron) et d’une proportion de 0,01%0,01 \% d’isotope stable 2H2\text{H} (un proton, un neutron). L’isotope 3H3\text{H} (un proton et deux neutrons) n’est pas stable et n’existe quasiment pas naturellement. On sait en produire artificiellement dans des environnements nucléaires.

L’équation de la fusion s’écrit : 21H+31H42H+121\text{H} + 31\text{H} →42\text{H} + 1 neutron éjecté

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La réaction n’émet pas de déchets nucléaires (l’hélium n’est pas un matériau radioactif), cependant les neutrons éjectés sont susceptibles d’être incorporés dans les atomes des matériaux de confinement et de les rendre radioactifs.

La réaction peut fournir beaucoup d’énergie, comme c’est le cas pour le Soleil, mais nous ne savons pas encore entretenir la réaction. Le Soleil, lui, lui la particularité d’être isolé par le vide de l’espace : il conserve l’essentiel de sa chaleur et sa température est énorme. Reproduire des conditions analogues est un réel enjeu technologique, car les experts estiment que ce serait la plus grande source d’énergie jamais exploitée par l’humanité, et qui serait relativement écologique.

Conclusion :