Chapitre 10


Cours




1
Transformations nucléaires


Doc. 1
Réaction de fission

reaction fission

Éviter les erreurs

Lors de l’écriture de l’équation d’une réaction nucléaire, toujours vérifier la conservation de ZZ et A.A.
Pour l’électron Z=1Z = -1 et A=0A = 0, sa notation symbolique est : 10e_{-1}^{\:\:\:0} \text{e}.
Le positon n’est pas un proton ! La notation symbolique du proton est 11p^{1}_{1}\text{p} celle du positon 10e._{1}^{0} \text{e}.

Supplément numérique

Retrouvez en vidéo les règles d'écriture des équations nucléaires.

Vocabulaire

  • Becquerel : unité pour mesurer l’activité radioactive d’un échantillon. 1 Bq est égal à une désintégration par seconde.
  • Chaîne radioactive : à partir d’un noyau initial, suite de transformations spontanées selon des processus de désintégration jusqu’à la formation d’un isotope qui, lui, ne se transformera plus (il est dit stable).
  • Fissile : noyau qui peut être le siège d’une réaction de fission.

A
Isotopie

Des isotopes sont des noyaux ayant le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons.

Ils appartiennent au même élément chimique et ont des propriétés chimiques identiques mais des propriétés physiques différentes.

Exemples : 612C^{12}_{\:\:6}\text{C}, 613C^{13}_{\:\:6}\text{C} et 614C^{14}_{\:\:6}\text{C} sont des isotopes du carbone.

Certains isotopes peuvent se transformer spontanément en un autre noyau tout en émettant une particule et de l’énergie. Lors d’une transformation nucléaire, il y a conservation du nombre de charge ZZ et du nombre de masse A.A.

B
Radioactivité

Un noyau peut spontanément se transformer selon trois processus radioactifs : α\alpha, β\beta^{-} et β+.\beta^{+}. Les réactions α\alpha et β\beta^{-} sont naturelles (les isotopes sont dans la nature), la réaction β+\beta^{+} est artificielle (les isotopes sont produits en laboratoire). Les lois de conservation permettent d’établir les équations de réactions suivantes :

  • α\alpha : un noyau ZAX^{A}_{Z}\text{X} se transforme en un autre noyau Z2A4Y^{A-4}_{Z-2}\text{Y}: et émet un noyau d’hélium 24He^{4}_{2}\text{He} (particule alpha) :
    ZAX Z2A4Y+ 24He^{A}_{Z}\text{X} \rightarrow  ^{A-4}_{Z-2}\text{Y} + ^{4}_{2}\text{He}
    exemple : 84213Po82209Pb + 24He ^{213}_{\,\,84}\text{Po} \rightarrow \:^{209}_{\,\,82}\text{Pb} + ^{4}_{2}\text{He}

  • β\beta^-: un noyau ZAX^{A}_{Z}\text{X} se transforme en un autre noyau Z+1AY^{\:\:\:\:\:A}_{Z+1}\text{Y} et émet un positon (positron en anglais) 10e^{\:\:\:0}_{-1}\text{e} (particule bêta « - ») :
    ZAX Z+1AY+ 10e ^{A}_{Z}\text{X} \rightarrow  ^{\:\:\:\:\:A}_{Z+1}\text{Y} + ^{\:\:\:0}_{-1}\text{e}
    exemple : 82209Pb + 83209Bi+10e ^{209}_{\,\,82}\text{Pb} + ^{209}_{\,\,83}\text{Bi}+^{\:\:\:0}_{-1}\text{e}

  • β+\beta^+: un noyau ZAX^{A}_{Z}\text{X} se transforme en un autre noyau Z1AY^{\:\:\:\:\:A}_{Z-1}\text{Y} et émet un positon (positron en anglais) 10e^{0}_{1}\text{e} (particule bêta «‑++ ») :
    ZAX Z1AY+ 10e^{A}_{Z}\text{X} \rightarrow  ^{\:\:\:\:\:A}_{Z-1}\text{Y} + ^{0}_{1}\text{e}
    exemple : 82205Pb + 81205Bi+10e ^{205}_{\,\,82}\text{Pb} + ^{205}_{\,\,81}\text{Bi}+^{0}_{1}\text{e}

C
Fission et fusion

Une fission nucléaire (doc. 1) est une transformation dans laquelle, sous l’action d’un neutron, un noyau dit lourd est séparé en deux noyaux plus légers et quelques neutrons.

Exemple : 01n+92235U 3894Sr+ 54139Xe+ 301n.^{1}_{0}\text{n} +\, ^{235}_{\,\,92}\text{U} \rightarrow  ^{94}_{38}\text{Sr} +  ^{139}_{\,\,54}\text{Xe} +  \text{3}^{1}_{0}\text{n}.

Lors de cette réaction, de l’énergie est libérée sous forme de rayonnement et elle est exploitée pour produire de l’électricité.

Il y a fusion nucléaire (doc. 2) lorsque deux noyaux légers s’assemblent pour former un noyau plus lourd.

Exemple : 12H+ 13H 24He+ 01n. ^{2}_{1}\text{H} + ^{3}_{1}\text{H} \rightarrow  ^{4}_{2}\text{He} +  ^{1}_{0}\text{n}.

Cette réaction nécessite une température de plusieurs millions de degrés pour être initiée. Cette condition est réalisée dans les étoiles. Sur Terre, des laboratoires de recherche étudient la possibilité de contrôler la fusion nucléaire (projet international ITER et Mégajoule en France).

Doc. 2
Réaction de fusion

reaction fusion

2
Conversion d’énergie nucléaire

Application

Compléter et identifier les réactions nucléaires ci-dessous.

a. 01n+92235U 36...Kr+ 56140Ba+301n^{1}_{0}\text{n} +\, ^{235}_{\,\,92}\text{U} \rightarrow  ^{...}_{36}\text{Kr} + ^{140}_{\,\,56}\text{Ba} + 3\, ^{1}_{0}\text{n}

b. 93229Np 94239Pu+ ...0e^{229}_{\,\,93}\text{Np} \rightarrow  ^{239}_{\,\,94}\text{Pu} + ^{0}_{...}\text{e}

Corrigé :

a. D’après la loi de conservation du nombre de masse :

1+235=A(Kr)+140+3×1.1 + 235 = A(\text{Kr}) + 140 + 3 \times 1.
A(Kr)=93.A(\text{Kr}) = 93.
Un noyau lourd est scindé en deux noyaux légers : c’est une fission.

b. D’après la loi de conservation du nombre de charge :
93=94+Z(e).93 = 94 + Z(\text{e}).
Z(e)=1.Z(\text{e})=-1.
Un noyau de neptunium se transforme en un noyau de plutonium avec émission d’un électron, c’est une désintégration β.\beta^-.

Doc. 4

Interieur reacteur
Maquette en coupe d’un réacteur nucléaire.

A
Radioactivité

Lors des transformations nucléaires α\alpha, β\beta^- et β+\beta^+ de l’énergie est libérée sous forme de rayonnement.

Ces transformations nucléaires ne libèrent pas suffisamment d’énergie afin que celle-ci soit convertie en énergie thermique pour une production électrique. Cependant, l’énergie dégagée lors de ce type de réaction est utilisée en médecine pour, par exemple, irradier (détruire) des cellules cancéreuses de façon locale (doc. 3). C’est le principe de fonctionnement des techniques de radiothérapie.


Doc. 3
Implants radioactifs

implants radioactifs
Implants radioactifs comparés à une pièce de 1 centime.

B
Fission et fusion

1. Le Soleil

Dans le cœur du Soleil, les noyaux d’hydrogène sont suffisamment comprimés par les forces gravitationnelles pour déclencher des réactions de fusion thermonucléaire. Lors de ces transformations, de grandes quantités d’énergie sont libérées sous la forme de rayonnements électromagnétiques (voir chapitre 15).

Cette énergie libérée lors de réactions de fusion thermonucléaire est utilisée par l’Homme à des fins militaires dans les bombes H\text{H} (bombe à hydrogène) et à des fins civiles dans les réacteurs expérimentaux tels que le Laser Mégajoule ou le projet ITER.

2. Les centrales nucléaires

Dans le cœur des réacteurs des centrales nucléaires se déroulent des réactions de fission nucléaire. Ces réactions libèrent de l’énergie sous la forme de rayonnements. Cette énergie peut être récupérée et convertie pour une production électrique.

Certains déchets produits lors de ces réactions sont hautement radioactifs et dangereux pour l’environnement. Une partie peut être retraitée, le reste doit être stocké dans un endroit sécurisé pendant de longues périodes (des centaines voire des milliers d’années).

Vocabulaire

  • Rayonnement électromagnétique : mode de transfert d’énergie décrit par la propagation d’ondes électromagnétiques.

Pas de malentendu

La valeur de l’énergie libérée lors des transformations nucléaires est petite. Cependant, ramenée à l’échelle d’une mole ou d’un kilogramme de combustible, elle est bien plus importante que l’énergie libérée lors de transformations chimiques ou physiques.
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