2e partie

Partie 2 : L’énergie nucléaire
I La structure de l’atome
1. Le modèle de Rutherford
2
2. Les particules élémentaires
6
3. Principe de structuration des atomes
7
3.1 Les nucléides
3.2 Eléments chimiques
3.3 Isotopes
Exercices
7
8
11
12
II La radioactivité
1. Généralités
14
1.1 Historique
1.2 Définition
1.3 Origine de la radioactivité
1.4 Mise en évidence de la radioactivité
2 Les différentes formes de désintégration
2.1 Désintégration alpha(α)
2.2 Désintégration bêta moins (β-)
2.3 Emission gamma (γ)
Exercices
2.4 Le temps de demi-vie ou période
Exercice
14
15
15
16
17
17
18
19
20
21
22
POUR EN SAVOIR PLUS : 1. Désintégrations «capture d’électrons» et «bêta plus»23
2. Les règles de stabilité des nucléides
24
III La fission nucléaire
La réaction de fission de l’uranium 235
26
La réaction en chaîne
28
La centrale nucléaire
30
POUR EN SAVOIR PLUS : L’enrichissement de l’uranium
POUR EN SAVOIR PLUS : La tour de refroidissement
POUR EN SAVOIR PLUS : Les déchets radioactifs
Recherche
31
32
33
35
Énergie nucléaire
I. La structure de l’atome
Comme les carburants fossiles, la technologie nucléaire joue un rôle important dans la
production d’énergie. Contrairement à l’exploitation des ressources fossiles, l’énergie
nucléaire a toujours constitué un des sujets de discussion les plus controversés, vu le
danger de la contamination radioactive.
Le chapitre ci-contre propose une étude détaillée qui vous permettra de comprendre
les notions en relation avec cette forme d’énergie.
1. Le modèle atomique de Rutherford
En classe de cinquième, on vous a présenté le modèle particulaire de
l’atome. Ce modèle a permis d’expliquer différentes observations comme
par exemple celle des propriétés des états de la matière.
La découverte de la radioactivité par Becquerel en 1896 a préparé le
terrain pour des investigations plus poussées dans le domaine des
modèles atomiques. La plus célèbre de ces expériences a été effectuée
par le physicien anglais Ernest Rutherford.
1.1 L’expérience de Rutherford
Une source radioactive émettant des particules α est placée dans un bloc en plomb
doté d’un étroit canal de sortie. Les particules α émises par la source radioactive ne
peuvent pas traverser le plomb : elles sortent donc en mince faisceau par ce canal.
Une feuille en or très mince (0,004mm, ce qui correspond à environ 1000 couches
d’atomes) est placée dans le faisceau de particules α. Autour de la feuille en or est
disposé un film photographique. Ce dernier permet de déterminer la trajectoire des
particules α, car celles-ci noircissent le film photographique à l’endroit de leur impact.
Feuille en or
Bloc en plomb avec
source radioactive
Trajectoire des particules
α renvoyées
Vide
Trajectoire des particules α
non-déviées
Trajectoire des particules α
déviées
Film photographique
2
Énergie nucléaire
I. La structure de l’atome
Le montage expérimental est hermétiquement fermé et mis sous vide (pour minimiser
les collisions des particules α avec les molécules de l’air).
Après quelques semaines, le film photographique est développé. Il se présente de la
façon suivante :
Nous observons :
• une tache foncée au milieu du film, directement vis-à-vis de l’ouverture du bloc en
plomb. Un très grand nombre de particules α ont heurté le film photographique à cet
endroit. Nous pouvons donc conclure que la plupart des particules α ont traversé la
feuille en or en ligne droite.
• des points noirs répartis sur l’ensemble du film photographique. Une petite partie des
particules α a donc été fortement déviée, voire reflétée en arrière au contact de la
feuille en or.
Au vu de ces résultats, Ernest Rutherford a constaté : « It is like shooting against a
ghost... »
1.2 Interprétation et modèle
Comment interpréter les observations faites ?
• La plupart des particules α traversent la feuille en or en ligne droite. Ainsi, nous
pouvons conclure que ces particules n’ont pas rencontré d’obstacle au passage à
travers l’atome. Ceci est en désaccord avec les modèles atomiques de Dalton et de
Thomson qui imaginaient l’atome comme une sphère de matière compacte. Or tel ne
peut pas être le cas, comme la plupart des particules α ont traversé les atomes en ligne
droite.
Ainsi, ces modèles atomiques ne sont plus valables et le développement d’un nouveau
modèle sur base des observations citées devient une nécessité.
Comme la plupart des particules α n’ont pas rencontré d’obstacle lors du passage à
travers les atomes, il faut conclure que l’atome n’est pas compact, mais
essentiellement constitué de vide.
3
Énergie nucléaire
I. La structure de l’atome
Modèles atomiques:
Modèle de Dalton
Sphère compacte
Modèle de Thomson
Sphère compacte chargée
positivement contenant
des électrons
Modèle de Rutherford
Noyau minuscule chargé
positivement entouré d’un
cortège électronique
Quelques particules α (chargées positivement) ont été fortement déviées voire
renvoyées en arrière à la rencontre des atomes d’or. Il faut donc qu’ils aient rencontré
un obstacle se trouvant à l’intérieur de l’atome.
Quant à la nature de cet obstacle on peut tirer trois conclusions:
Premièrement, il est très petit car seule une petite partie des particules α l’ont heurté.
Deuxièmement, il doit être chargé positivement car il dévie voire renvoie les particules
α, qui sont eux aussi chargées positivement.
Finalement, il est très massif, comme il est capable de dévier les particules α sans pour
autant être délocalisé lui-même.
Rutherford en conclut que :
L’atome est constitué essentiellement de vide, mais il
existe à l’intérieur de l’atome un obstacle massif, de très
petite taille qui est chargé positivement. Cet obstacle est
appelé le « noyau atomique ». La charge positive du
noyau est neutralisée par la charge négative des électrons. Les électrons constituent le cortège électronique
autour du noyau.
Noyau
Cortège
électronique
Ce modèle permet d’expliquer les résultats de l’expérience :
Feuille en or
4
Énergie nucléaire
I. La structure de l’atome
La majeure partie des particules α traverse la feuille en or sans rencontrer de noyau
atomique : elles traversent la feuille en ligne droite.
• Certaines particules α passent à proximité d’un noyau atomique. Comme les
particules α et le noyau atomique sont chargés positivement, des forces de répulsion
s’exercent entre elles : les particules α sont déviées.
• Quelques particules α heurtent directement un noyau atomique : elles sont renvoyées
en arrière à cause des forces de répulsion.
En déterminant le rapport entre les particules α
déviées et les particules α qui passent en ligne
droite, on peut estimer la taille du noyau : le
diamètre du noyau atomique est environ 100000
fois inférieur au diamètre de l’atome. Pour bien
nous rendre compte de cette différence de taille,
imaginons que nous pouvons agrandir un atome à
la taille de la Tour Eiffel : le noyau atomique aurait
alors la taille d’un noyau de cerise, et il serait situé
au niveau du deuxième étage.
La taille d’un atome est de l’ordre de 10-10m.
Pourquoi les électrons chargés
négativement ne tombent-ils pas sur le
noyau chargé positivement?
Pour expliquer ceci, on admet que les
électrons tournent à grande vitesse autour du
noyau. Ainsi, ils sont soumis à une force
centrifuge qui s’oppose à la force d’attraction
du noyau : les électrons sont en équilibre sur
leur orbite, ils restent en mouvement à une
certaine distance du noyau.
F attraction
F centrifuge
5
Énergie nucléaire
I. La structure de l’atome
2. Les particules élémentaires
Nous savons que les électrons sont les porteurs de
la charge élémentaire négative. Mais quels sont
maintenant les porteurs de la charge positive?
En 1919, Rutherford a découvert un des constituants du noyau atomique : le proton, porteur de la
charge élémentaire positive (analogue à l’électron,
porteur de la charge élémentaire négative).
Or, un noyau ne peut pas être constitué uniquement
de protons. En effet, deux ou plusieurs protons se
repoussent à cause des forces de répulsion entre
charges positives. Ainsi, il faut qu’il y ait dans le
noyau atomique un deuxième type de particules qui
séparent les protons, garantissant ainsi la stabilité
du noyau. Cette particule, dont l’existence a été
prouvée expérimentalement en 1932, est appelée le
neutron. Le neutron n’a pas de charge électrique.
Représentation d’un atome selon le
modèle de Rutherford. Le noyau, composé
de protons (rouge) et de neutrons (blanc),
est représenté de façon agrandie à droite
Nous connaissons maintenant les 3 particules qui constituent l’atome : l’électron, le
proton et le neutron. Ces particules sont encore appelées « particules élémentaires ».
On appelle particules élémentaires les particules les plus
simples qui interviennent dans la structure de l’atome.
Tableau récapitulatif indiquant les caractéristiques des particules élémentaires :
électron
neutron
proton
symbole
e-
n0
p+
charge relative
-1
0
+1
charge absolue
- 1,6 10-19 C
0
+ 1,6 10-19 C
masse relative
0
1
1
masse absolue
9,1 10-31 kg
1,67 10-27 kg
1,67 10-27 kg
Les protons et les neutrons forment le noyau, voilà pourquoi on les appelle encore
nucléons.
6
Énergie nucléaire
I. La structure de l’atome
3. Le principe de structuration des atomes
Le principe de structuration des atomes est basé sur le nombre de particules
élémentaires.
Tous les atomes sont composés des mêmes particules élémentaires. La
différence entre atomes distincts est uniquement due au nombre de ces
particules.
L’atome le plus simple est constitué d’un proton et d’un électron (atome 1).
Exemples d’atomes : (rouge : proton ; blanc : neutron ; bleu : électron)
Remarque :
Pour des atomes neutres, le nombre d’électrons est toujours égal au nombre de protons.
3.1 Les nucléides
La masse d’un nucléide est déterminée par le nombre de particules élémentaires
constitutives.
Un nucléide est un type d’atomes défini à la fois par le nombre de protons et le
nombre de neutrons.
7
Énergie nucléaire
I. La structure de l’atome
Masse des nucléides représentés :
Nombre nucléons
Nucléide
Masse relative
protons
neutrons
« atome 1 »
1
0
1
« atome 2 »
1
1
2
« atome 3 »
2
1
3
« atome 4 »
2
2
4
« atome 5 »
3
3
6
« atome 6 »
4
5
9
La masse relative d’un nucléide est appelée nombre de masse A.
Le nombre de masse A exprime la masse relative d’un nucléide. Comme pour
les particules élémentaires, c’est une valeur de comparaison sans unité.
Remarque:
Il y a une légère différence entre le terme «nucléide » et « atome ». Le mot
« nucléide » se réfère surtout au noyau (utilisé en physique nucléaire) alors que le mot
« atome » (utilisée en chimie) englobe aussi les électrons. La masse des deux est
identique puisqu’on attribue la masse zéro aux électrons.
3.2 Éléments chimiques
Tous les atomes ayant le même nombre de protons font partie du même
élément chimique. Le nombre de protons, aussi appelé nombre atomique, est
indiqué par le symbole Z.
Exemples :
Atome
Z
neutrons
A
Élément chimique
Atome 1
1
0
1
hydrogène (H)
Atome 2
1
1
2
hydrogène (H)
Atome 3
2
1
3
hélium (He)
Atome 4
2
2
4
hélium (He)
Atome 5
3
3
6
lithium (Li)
Atome 6
4
5
9
béryllium (Be)
8
Énergie nucléaire
I. La structure de l’atome
On représente les atomes par le symbole chimique de l’élément en indiquant Z en bas
à gauche et A en haut à gauche.
Remarque :
- Le nombre de neutrons peut être facilement déduit de la
différence du nombre de masse et du nombre de protons.
(N=A-Z)
- Le numéro atomique Z peut être omis, puisqu’il est lié à la
nature de l’élément qui est déjà indiqué par le symbole.
Le numéro atomique Z correspond au numéro de la case du tableau périodique des
éléments. Z augmente d’une unité en passant d’une case à l’autre, ce numéro est
aussi appelé numéro d’ordre.
Souvent, ce nombre est indiqué en bas de la case.
Exemple :
Le numéro atomique Z du fer (Fe) vaut 26.
Tableau périodique des éléments:
violet: métaux; bleu: métaux de transition; vert; lanthanides et actinides; rouge: semi-métaux; orange
clair: non-métaux; orange foncé: gaz rares
9
Énergie nucléaire
I. La structure de l’atome
Liste des éléments importants pour chimistes débutants
Nom français
Nom allemand
symbole
Exemple
aluminium
Aluminium
Al
utilisé comme papier aluminium
argent
Silber
Ag
utilisé en joaillerie
azote
Stickstoff
N
gaz formant 80% de l’atmosphère
brome
Brom
Br
contenu dans gaz lacrymogène
calcium
Kalzium
Ca
élément essentiel dans les os
carbone
Kohlenstoff
C
élément principal du charbon
chlore
Chlor
Cl
utilisé comme désinfectant
chrome
Chrom
Cr
utilisé pour armatures sanitaires
cuivre
Kupfer
Cu
utilisé pour câbles électriques
étain
Zinn
Sn
utilisé comme métal de soudure
fer
Eisen
Fe
métal important en construction
fluor
Fluor
F
constituant des dentifrices
hélium
Helium
He
utilisé comme gaz pour ballons
hydrogène
Wasserstoff
H
utilisé dans piles à combustible
iode
Iod
I
utilisé pour la prévention du goitre
manganèse
Mangan
Mn
métal utilisé dans alliages durs
magnésium
Magnesium
Mg
élément essentiel pour la musculation
mercure
Quecksilber
Hg
contenu dans des ampoules lumineuses
nickel
Nickel
Ni
utilisé dans pièces de monnaie
néon
Neon
Ne
utilisé dans des tubes lumineux
or
Gold
Au
utilisé en joaillerie
oxygène
Sauerstoff
O
gaz respiratoire
phosphore
Phosphor
P
utilisé dans les engrais
platine
Platin
Pt
utilisé en thérapie anti-tumorale
plomb
Blei
Pb
présent dans accumulateur des voitures
plutonium
Plutonium
Pu
fabrication de la bombe atomique
potassium
Kalium
K
utilisé dans les engrais
silicium
Silizium
Si
utilisé dans des circuits intégrés
sodium
Natrium
Na
contenu dans le sel de cuisine
soufre
Schwefel
S
utilisé pour la fabrication de pneus
uranium
Uran
U
production d’énergie
zinc
Zink
Zn
utilisé pour la fabrication de gouttières
10
Énergie nucléaire
I. La structure de l’atome
3.3 Isotopes
La nature d’un élément chimique est définie par le nombre de protons. Cependant le
nombre de neutrons peut varier dans certaines limites.
Exemple :
L’élément chlore est composé des atomes suivants :
35
Cl (75%)
;
37
Cl (25%)
On appelle isotopes tous les atomes qui font partie du même élément chimique
et qui se distinguent uniquement par le nombre de neutrons.
Dans un échantillon de 100 atomes de chlore, 75 contiennent 18 neutrons (35-17) et
25 atomes en contiennent 20 (37-17).
Ces atomes sont appelés isotopes (du grec « iso », même ; « topos », endroit). Les
isotopes d’un élément sont tous regroupés dans la même case du tableau périodique
des éléments puisqu’ils font partie du même élément chimique.
La masse de l’élément chimique, indiquée dans le TPE, est ainsi la moyenne pondérée
des masses des isotopes :
(P1 · A1) + (P2 · A2) + … + (Pn· An)
Masse atomique de l’élément
=
100
35,5
Cl
=
(75 ∙ 35) + (25 ∙ 37)
= 35,5
100
17
D’un point de vue chimique, il n’y a guère de différence entre les isotopes d’un même
élément.
L’étude du rapport entre les
deux isotopes du carbone 12C et
13
C permet de déterminer
l’origine naturelle ou synthétique
de différents arômes, comme
par exemple celui de la vanilline.
11
Énergie nucléaire
I. La structure de l’atome
Schéma récapitulatif :
Extrait du tableau périodique
indiquant les isotopes du
silicium et du soufre
Exercices
1. Calcul du nombre de particules
1.1. Indiquez le nombre de particules élémentaires pour les atomes suivants. Indiquez
aussi le nom de l’élément.
24
Mg ; 108Ag ; 12C ; 37Cl ; 127I ; 39K ; 2H ; 28Al
1.2. Trouvez le nombre de neutrons pour les isotopes du silicium et du soufre indiqués
dans le tableau récapitulatif ci-dessus.
1.3. Indiquez le nombre de particules élémentaires de l’atome et le nom de l’élément à
l’aide des informations suivantes:
a. A = 31 ; Z = 15c.
c. A = 60 ; 32 n0
b.
d.
Z = 26 ; 31 n0
atome neutre ; 53 e- ; 74 n0
2. Composition isotopique
Calculez la masse des éléments suivants en connaissant leur composition isotopique.
a.
28
Si : 92,23%
29
Si : 4,67%
30
Si : 3,10%
b.
46
Ti : 8,0%
Ti : 7,3%
48
Ti : 73,8%
49
Ti : 5,5%
50
Ti : 5,4%
47
12
Énergie nucléaire
I. La structure de l’atome
Exercices
3. Atomes, nucléides et isotopes
Ce sont des …
Donnez à chaque série de symboles
l’un des noms suivants :
atomes,
nucléides,
isotopes
ou
éléments
(plusieurs noms par série possibles)
24
Mg ; 25Mg ; 26Mg
6,9
Li ; 32,1S ; 40,1Ca
118
Sn ; 40K ; 19F
4. Mots croisés
Mots croisés à résoudre à l’aide du T.P.E.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
élément dont le nombre atomique est 29
élément du 6e groupe principal et de la 3e période
élément du 7e groupe principal et de la 5e période
élément dont les atomes renferment 12 protons dans leur noyau
élément du 4e groupe principal et de la 6e période
élément de la 4e période dont le corps simple est un liquide
élément dont un atome neutre renferme 25 électrons
élément dont les atomes renferment 15 protons
dans leur noyau
9. élément dont le nombre atomique est 47
10. élément dont un atome neutre
renferme 13 électrons
11. gaz rare de la 2e période
12. métal alcalino-terreux de la 4e
période
13. halogène de la 2e période
14. élément du 5e groupe principal
et de la 2e période
15. métal alcalin de la 3e période
16. élément dont les atomes
renferment 78 protons dans leur
noyau
17. élément dont le nombre
atomique est 6
18. métalloïde de la 3e période
19. non-métal du 1er groupe
20. élément dont un atome neutre
ferme 80 électrons
13
Énergie nucléaire
II. La radioactivité
Remarque: la partie suivante ne figure pas au programme de la
classe de 4ème. Veuillez noter que certaines photos sont soumises à
des droits d’auteurs. Une publication de cette partie nécessite donc
la permission de l’auteur en question.
1. Généralités
1.1 Historique
En 1896 Henri BECQUEREL, physicien français, a découvert la
radioactivité.
Dans un tiroir, Becquerel a posé par hasard des plaques
photographiques emballées à côté d’un échantillon de sel d’uranium.
Bien que les plaques aient été à l’abri de toute source lumineuse, elles
avaient légèrement noirci. Becquerel a conclu que le sel d’uranium
émettait des radiations capables de traverser l’emballage et
d’impressionner la couche photographique.
Après cette découverte, la chimiste polonaise Marie SKLODOWSKA
et son époux français, le physicien Pierre CURIE, ont découvert deux
éléments inconnus jusque-là, le radium et le
polonium, émettant des radiations plus fortes que
celles émises par l’uranium. Ils ont appelé cette
propriété d’émettre des radiations, la radioactivité
(du latin : radius, le rayon).
polonium (d’après la Pologne, le pays natal de Marie Curie)
radium (de radioactivité)
Deux ans plus tard, Ernest RUTHERFORD a découvert que le rayonnement émis par
les corps radioactifs pouvait être subdivisé en trois différents types de radiations. En
exposant le rayonnement à un champ électrique, Rutherford a identifié les
radiations suivantes:
-
les rayons alpha α chargés positivement
les rayons bêta β chargés négativement
les rayons gamma γ de charge nulle
Déviation des rayons α, β et γ dans un champ électrique
14
Énergie nucléaire
II. La radioactivité
1.2 Définition
La radioactivité est un phénomène spontané lors duquel les nucléides instables
se transforment par diverses formes de désintégrations en nucléides plus stables
en émettant des radiations.
1.3 Origine de la radioactivité
Il y a 13,7 milliards années, l’Univers est né. D’après les théories récentes, une énorme
explosion, appelée « Big Bang », était à l’origine de la création de la matière.
Au fur et à mesure, les particules élémentaires ont apparu. Les protons et les neutrons
se sont associés pour former les premiers nucléides. Il s’agissait essentiellement des
éléments les plus légers, l’hydrogène et l’hélium. Ce n’est que des millions d’années
après le Big Bang, que les nucléides d’éléments plus lourds ont pu être formés.
On distingue 2 types de nucléides :
- les nucléides stables : les noyaux de ces nucléides sont stables et n’ont pas subi de
transformation depuis leur création. Il s’agit de la plupart des nucléides d’éléments non
radioactifs.
- les nucléides instables : certains nucléides formés n’étaient pas stables. Depuis le
moment de leur formation, ils se désintègrent plus ou moins vite, ce qui conduit tôt ou
tard à leur disparition. (voir temps de demi-vie)
Ainsi dans les 13,7 milliards années suivant le Big Bang, différents nucléides instables
ont déjà disparu. Néanmoins, les scientifiques ont réussi à « recréer » certains de ces
nucléides de façon artificielle. Il s’agit entre autres de tous les nucléides des éléments
transuraniens (Z>92). La radioactivité liée à leur désintégration est appelée
radioactivité artificielle.
De l’autre côté, certains nucléides se sont désintégrés si lentement, qu’on les retrouve
encore à notre époque. Les exemples les plus connus sont, sans doute, les nucléides
de l’élément uranium. Dans ce cas on parle de la radioactivité naturelle.
15
Énergie nucléaire
II. La radioactivité
Tableau périodique des éléments indiquant la stabilité et la nature des nucléides principaux
1.4 Mise en évidence de la radioactivité
La chambre de Wilson
La chambre de Wilson, aussi appelée chambre à brouillard, est
constituée d'un récipient contenant de l'air saturé en vapeur
d'alcool refroidi. Lorsqu'une source radioactive est placée à
l'intérieur de la chambre, on voit apparaître dans la vapeur des
traits de gouttelettes d'alcool sur la trajectoire des radiations. La
chambre de Wilson permet donc de « visualiser » les
rayonnements.
image obtenue dans la chambre de Wilson
Le compteur Geiger-Müller
Le compteur Geiger-Müller est un instrument de mesure qui permet de
mettre en évidence un grand nombre de rayonnements (alpha, bêta,
gamma). L’appareil compte les désintégrations dont le nombre est affiché
sur un écran digital et souvent signalé par des bips sonores
caractéristiques.
16
Énergie nucléaire
II. La radioactivité
2. Les différentes formes de désintégration
2.1 Désintégration alpha(α)
Cette désintégration est réservée aux nucléides lourds et est due à un excès de
nucléons. Pour y remédier, le nucléide éjecte un noyau d’hélium qui constitue la
particule alpha.
Exemple :
Le polonium 210 (Z=84) se désintègre par perte d’une particule alpha. Il se transforme
en plomb 206 (Z=82).
4
2
210
84
He
Po
206
82
On note :
210
84
Po
206
82
Pb
4
2
Pb
He
Au cours de chaque désintégration alpha:
- le nombre de masse diminue de 4 unités pour le nucléide formé
- le nombre de protons diminue de deux unités, la nature de l’élément change
Remarque :
•
la somme des nombres de masse et des numéros atomiques du nucléide formé
et de la particule alpha est identique au nombre de masse du nucléide instable
initial. (206+4=210 ; 82+2=84)
•
il ne faut pas confondre une désintégration nucléaire avec une réaction chimique !
Une désintégration nucléaire touche la structure du noyau ce qui change la nature
de l’élément.
Par contre, une réaction chimique conduit uniquement à un réarrangement
d’atomes pour former des corps chimiques différents. La structure des noyaux
n’est pas modifiée.
17
Énergie nucléaire
II. La radioactivité
Caractéristiques des particules alpha :
Les particules alpha ont un pouvoir faiblement pénétrant. Une feuille en papier peut
arrêter ces particules.
Par contre, il existe un grand risque d’irradiation en cas d’ingestion de nucléides
émettant des particules alpha. Ceux-ci peuvent endommager de façon définitive les
tissus avoisinants.
Le rayonnement alpha des éléments naturels (p.ex. uranium) contribue à la production
de chaleur dans l’écorce terrestre.
Le nucléide 241Am qui émet des particules alpha est utilisé dans les détecteurs de fumée.
2.2 Désintégration bêta moins (β-)
Ce mode de désintégration se produit lors d’un excès de neutrons.
Un neutron se transforme en proton et en électron. Le nombre de neutrons dans le
noyau du nucléide instable est réduit d’une unité, le nombre total de nucléons reste
constant.
L’électron éjecté constitue la particule bêta.
n0 → p+ + eneutron
électron
14
6
proton
C
14
7
N
On note :
14
6
C
14
7
N
0
-1
e
Au cours de chaque désintégration bêta moins:
•
•
le numéro atomique augmente d’une unité, la nature de l’élément
change
le nombre de masse reste inchangé
18
Énergie nucléaire
II. La radioactivité
Caractéristiques des particules bêta
Le pouvoir pénétrant des particules β- est plus grand que celui des particules α. Les
particules bêta peuvent parcourir quelques mètres dans l’air. Alors que les particules
alpha sont arrêtées par une feuille en papier, il faut une feuille en aluminium ou une
pièce de bois de quelques centimètres d’épaisseur pour bloquer les particules bêta.
Les nucléides émettant des particules bêta sont utilisés en imagerie médicale et en
radiothérapie.
Scintigraphie thyroïdienne. L’image est obtenue grâce aux particules β émises par le
nucléide 131I.
2.3 Émission gamma (γ)
Les désintégrations α et β- sont très souvent accompagnées d’émissions gamma (γ).
Les rayons gamma ne sont pas des particules, mais des ondes électromagnétiques, de
même nature que les ondes radio, microondes, les rayons X et la lumière visible. En
général, les radiations gamma possèdent une énergie beaucoup plus élevée que
toutes les autres formes d’ondes.
Ondes électromagnétiques
L’énergie transportée par une onde est inversement proportionnelle à la longueur
d’onde : plus la longueur d’onde est petite, plus les ondes sont énergétiques.
Les rayons gamma sont très pénétrants. Il faut une protection en plomb ou un mur en
béton de quelques mètres d’épaisseur pour les arrêter. Cette propriété est utilisée dans
de nombreuses applications médicales (scanners, scintigraphie, radiothérapie) ou
industrielles (détection de fissures).
Le pouvoir pénétrant et l’énergie élevée des radiations présentent aussi un danger
pour les êtres vivants. Déjà une courte exposition à une source gamma puissante peut
être à l’origine de mutations cellulaires qui peuvent conduire à la formation de cancers.
19
Énergie nucléaire
II. La radioactivité
Tableau récapitulant les caractéristiques des rayons α, β et γ
alpha
bêta
gamma
nature
particule
particule
onde
pouvoir
pénétrant
faible
moyen
fort
charge
positive
négative
aucune
risque pour la
santé
contact direct
(contamination)
contact direct
(contamination)
Irradiation à
distance
Exercices
4. Désintégration alpha
Après une désintégration alpha, le nouveau noyau formé a … :
a. un proton de moins
c. un neutron de plus
b. deux protons de moins
d. le même nombre de nucléons
5. Désintégration bêta
Après une désintégration bêta moins, le nouveau noyau formé a… :
a. un proton de plus
c. deux neutrons de plus
b. deux protons de moins
d. le même nombre de nucléons
6. Équations nucléaires
Donnez l’équation de désintégration des nucléides suivants :
a. désintégration β- du cobalt 60
c. désintégration α du radon 222
e. désintégration α du plutonium 242
b. désintégration α du radium 226
d. désintégration β- du phosphore 32
f. désintégration β- de l’or 198
7. Désintégration alpha ou bêta?
Indiquez les modes de désintégration pour les transformations suivantes :
a.
b.
c.
d.
131
I → 131Xe
U → 230Th
3
H → 3He
249
Cf → 245Cm
234
20
Énergie nucléaire
II. La radioactivité
2.4 Le temps de demi-vie ou période
Les désintégrations étudiées dans le dernier paragraphe ne se déroulent pas au même
rythme pour différents nucléides. Ce rythme peut varier entre des nanosecondes et des
millions d’années.
On parle du temps de demi-vie ou période.
Le temps de demi-vie ou période T1/2 est le temps qui s’écoule, jusqu’à ce que
la moitié de la substance radioactive se soit désintégrée.
Exemple :
Le plutonium 239 a une période de T1/2 = 24 000 ans.
En partant de 1000 nucléides, la moitié s’est désintégrée après 24 000 ans: il en
reste 500 nucléides. En attendant de nouveau 24 000 ans, le nombre de nucléides de
plutonium vaut encore 250, soit la moitié de 500.
Cette évolution est représentée par une courbe exponentielle décroissante :
No : nombre initial de nucléides
T1/2 : période
t : temps
Remarque : le nombre initial de nucléides N0 peut aussi être remplacé par la masse initiale m0.
21
Énergie nucléaire
II. La radioactivité
Exemple du plutonium 239 (239Pu) ; T1/2 = 24000 ans :
t=0
t = 24 000 ans
t = 48 000 ans
t = 72 000 ans
t = 96 000 ans
; m0 = 1g
; m = 0,5g
; m = 0,25g
; m = 0,13g
; m = 0,06g
Exemple du césium 137 (137Cs) ; T1/2 = 30,2 ans
Exercice
8. Iode 131
Lors d’un accident grave dans une centrale nucléaire, 2000 g de l’iode 131 radioactif
(T1/2 = 8j) a été relâché dans l’atmosphère. Déterminez le temps qu’il faut pour qu’il ne
reste plus que la quantité négligeable d’environ 1g. Réalisez également un diagramme.
22
POUR EN SAVOIR PLUS
1. Désintégrations « capture d’électrons (CE) » et « bêta plus (β+) »
Dans ce cas, l’instabilité est due à un excès de protons. Pour y remédier, le nombre
de protons est réduit dans le noyau du nucléide instable. A l’inverse de la
désintégration bêta moins, un proton est transformé en neutron.
Deux cas sont à distinguer :
Capture d’électrons :
Le noyau capture un électron du cortège électronique. Il y a formation d’un neutron à
partir d’un proton et de l’électron capturé.
p+ + eélectron
→ n0
proton
neutron
53
24
53
Mn
25
Cr
Désintégration bêta plus
L’autre phénomène existant est celui de la désintégration bêta plus (β+). Un proton se
désintègre en neutron et en électron positif (positron).
p+ →
proton
n0
+
e+
positron
neutron
11
C
6
11B
5
Remarques :
•
L’existence de positrons ne devrait pas choquer ; des études récentes ont montré
qu’il existe des « antiparticules » pour un grand nombre de particules.
•
Les désintégrations β+ ou CE sont rares et uniquement observées pour les
nucléides artificiels. Même parmi ces nucléides la plupart se désintègre par α et
β-. C’est ainsi qu’on parle souvent de désintégration α et β tout court.
23
2. Les règles de stabilité des nucléides
Sur Terre on connaît 256 nucléides stables. On peut les représenter dans un
diagramme indiquant le nombre de neutrons en fonction du nombre de protons.
Le diagramme des nucléides
L’analyse du diagramme permet d’établir certaines règles qui nous
permettent de comprendre la stabilité/instabilité de différents
nucléides.
Les nucléides ne sont pas dispersés de façon aléatoire sur le diagramme, mais on distingue une sorte de ligne légèrement
incurvée, qu’on appelle courbe de stabilité.
1ère règle : le désir de symétrie protons-neutrons
On observe une tendance naturelle pour un nucléide de regrouper autant de protons
que de neutrons, donc d’obtenir une symétrie protons-neutrons aussi parfaite que
possible. Ceci est surtout le cas pour les nucléides plus légers (Z<20).
Exemples :
3 protons et 3 neutrons : 6Li
6 protons et 6 neutrons : 12C
8 protons et 8 neutrons : 16O
2ème règle : la répulsion des protons
Comme on l’a déjà mentionné auparavant, les protons chargés positivement se
repoussent. Ce sont les neutrons qui garantissent la cohésion des protons. Plus le
nombre de protons augmente, plus il faudra de neutrons pour garantir cette cohésion.
C’est ainsi que la courbe de stabilité s’incurve vers le haut.
Exemple :
D’après la règle 1, un atome ayant 100 protons et 100 neutrons serait parfaitement
stable. Or, il n’existe pas de tel nucléide stable. Le nombre de protons est trop
important.
Par contre, on connaît un nucléide ayant 80 protons et 120 neutrons. La règle 2
l’emporte sur la règle 1.
24
3ème règle : les groupements par paires
On observe une nette tendance vers des nucléides stables composés d’un nombre
pair de neutrons et de protons. Effectivement 60 % des nucléides stables confirment
cette règle. Par contre, il n’existe que 4 nucléides stables ayant un nombre impair de
neutrons et de protons.
4ème règle : les nombres magiques
Si le nombre de protons ou le nombre de neutrons d’un nucléide est égal à certaines
valeurs particulières, le noyau est doté d’une stabilité hors du commun. Ces valeurs,
appelées nombres magiques, sont les suivantes :
2
8 20
28
Exemples :
50
82
126
4
2 He
; 168 O ; 4020 Ca ; 20882 Pb
Exercices
1. Voici des séries d’isotopes :
a. 63Cu ; 64Cu ; 65Cu
b. 35Cl ; 36Cl ; 37Cl
c. 27Si ; 28Si; 30Si
d. 136Ba ; 138Ba ; 139Ba
Indiquez l’isotope qui est instable. Expliquez.
Déterminez lequel des deux isotopes stables est le plus abondant.
2. Voici le nombre d’isotopes stables pour les éléments de Sc à Zn.
Commentez !
3.
A l’aide de l’extrait du diagramme de stabilité ci
-contre :
a. Indiquez le nombre d’isotopes pour les
éléments
Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd
b. Indiquez les nucléides ayant 42 neutrons.
Donnez le nom des éléments respectifs.
25
Énergie nucléaire
III. La fission nucléaire
Bien que toutes les désintégrations nucléaires soient accompagnées d’une
libération d’énergie, ces processus ne sont pas à l’origine de la génération d’énergie
électrique dans les centrales nucléaires.
En 1938, les chimistes allemands Otto HAHN (photo à
gauche) et Fritz STRASSMANN ont découvert la fission
nucléaire. En bombardant le nucléide 235U par des
neutrons, ils ont réussi à le diviser en deux nucléides
plus légers. La fission de l’uranium émettait une quantité d’énergie d’un ordre de grandeur inconnu jusqu’alors.
Cette découverte était à l’origine de la production
d’énergie électrique dans les centrales nucléaires, mais aussi de la
fabrication d’armes dévastatrices.
En 1944, HAHN a reçu le prix Nobel pour ses travaux. Pendant toute sa vie, il s’est
investi dans une politique d’utilisation pacifique de l’énergie nucléaire.
La réaction de fission de l’uranium 235
Une réaction de fission est un phénomène lors duquel un nucléide lourd est
divisé en deux nucléides plus légers en émettant de l’énergie. La fission du
nucléide est provoquée par l’impact d’un neutron.
Le nombre de nucléides fissiles est très petit. Il n’en existe qu’une dizaine dont
l’uranium 235 est le seul qu’on trouve dans la nature.
L’uranium est un élément chimique naturel qui est exploité dans de nombreux
gisements à travers la planète. L’Australie détient la majorité des réserves
mondiales (36%), suivi du Canada (15%) et du Kazakhstan (14%).
L’uranium est 20 000 fois moins abondant que le fer, 30 fois plus abondant que
l’argent et 500 fois plus abondant que l’or ou le platine.
En moyenne on trouve 3 g d’uranium par tonne d’écorce
terrestre. La plupart des ressources de l’uranium ne sont pas
exploitables du point de vue technologique et économique.
Dans les mines d’uranium on trouve 1-3 kg par tonne de
minerais.
La composition isotopique de l’uranium naturel est la
suivante :
234
U : 0,0055 %
235
U : 0,72 %
238
U : 99,27 %
Mine d’uranium en Australie
Minerai d’uranium
26
Énergie nucléaire
III. La fission nucléaire
Parmi les 3 isotopes, 235U est le seul isotope fissile.
Le nucléide est bombardé par un neutron et se divise en deux nucléides plus légers
(la masse des nucléides formés est rarement identique). Cette séparation est
accompagnée d’une forte libération d’énergie.
235
92
U
Exemple de réaction de fission possible :
1
n +
235
U →
95
Sr +
139
Xe
+ 2 1n
L’uranium exploité dans les mines ne contient que très peu de l’isotope fissile 235
(0,72%). Cette quantité ne suffit pas pour l’entretien de la réaction de fission; il faut
enrichir l’uranium naturel à au moins 3,5% de 235U.
L’enrichissement de l’uranium consiste en une augmentation de la teneur de
l’isotope 235 fissile par rapport à l’isotope 238. A cette fin, on utilise des
centrifugeuses.
Isotopes
Uranium naturel
Uranium enrichi
234
0,0055 %
0,0055%
235
0,72 %
3,7%
238
99,3 %
96,3%
U
U
U
Remarque : toute tentative d’enrichir de 235U au-dessus de 5% n’est probablement plus destinée à
une utilisation pacifique dans les centrales nucléaires. Ce n’est que pour la fabrication d’une bombe
atomique, qu’on nécessite un pourcentage d’uranium fissile supérieur.
27
Énergie nucléaire
III. La fission nucléaire
La réaction en chaîne
En se séparant, les deux nucléides formés émettent à leur tour un ou plusieurs
neutrons. Ces neutrons peuvent entraîner à nouveau la fission d’un autre nucléide
d’uranium. De cette façon une réaction en chaîne est amorcée.
On considère deux cas :
Réaction non-contrôlée (bombe atomique)
A partir d’une certaine quantité d’uranium fissile (masse critique), la réaction en
chaîne peut mener à une libération explosive d’énergie. La réaction n’est plus
contrôlable. Il s’agit du principe d’une bombe atomique.
28
Énergie nucléaire
III. La fission nucléaire
Réaction contrôlée (centrale nucléaire)
Afin d’obtenir un flux continu en énergie, la réaction doit être contrôlée. Dans les
réacteurs des centrales nucléaires, le nombre de neutrons est constamment ajusté.
On utilise des barres de contrôle contenant des éléments chimiques (cadmium,
bore) qui absorbent les neutrons.
L’uranium, sous forme d’oxyde d’uranium (UO2), est contenu dans des gaines en
zirconium (gris) qui plongent dans de l’eau (bleu vert). Les barres de contrôle
(jaune) absorbent un certain nombre de neutrons ; ceux-ci ne peuvent plus
provoquer de réaction de fission. De cette façon, on peut contrôler le déroulement
de la réaction en réglant la hauteur des barres.
29
Énergie nucléaire
III. La fission nucléaire
La centrale nucléaire
Le principe de fonctionnement d’une centrale nucléaire est similaire à celui d’une
centrale thermique à charbon.
Circuit primaire (1) :
La réaction de fission de l’uranium a lieu dans le réacteur (2). Celui-ci contient de
l’eau sous pression qui est chauffée par l’énergie libérée. L’eau chaude pressurisée
fait bouillir de l’eau dans un générateur de vapeur (3). Pour éviter que des
particules ou des émissions radioactives ne soient libérées dans l’atmosphère, le
réacteur est confiné par des murs très épais en béton (4).
Circuit secondaire (5) :
La vapeur d’eau formée dans le générateur de vapeur entraîne la rotation d’une
turbine (6) reliée à un générateur d’électricité (7).
Circuit tertiaire (9) :
Ce circuit de refroidissement, alimenté par un fleuve(10), contient de l’eau qui fait
condenser à nouveau la vapeur du circuit secondaire dans un condensateur (8).
L’eau ainsi formée est de nouveau transportée dans le générateur de vapeur.
L’eau de refroidissement, chauffée ainsi, est refroidie dans une tour de
refroidissement (11). Une partie de l’eau (~3%) est dégagée sous forme de
vapeur. Cette eau perdue est remplacée par l’eau du fleuve.
Le rendement d’une centrale nucléaire peut être comparé à celui d’une centrale
thermique à charbon. Environ 40 % de la chaleur émise par la réaction nucléaire
sont transformés en énergie électrique.
A titre de comparaison, 1 g d’uranium fournit la même quantité d’énergie que la
combustion de 2 tonnes de charbon.
30
POUR EN SAVOIR PLUS
L’enrichissement de l’uranium
Bien que le principe de fonctionnement d’une centrale nucléaire soit relativement
simple, l’obtention de l’uranium fissile constitue une étape laborieuse qui nécessite
une technologie avancée.
Le fait que la teneur en uranium du minerai est en général
assez faible, de l’ordre de 0,1 à 0,3 %, implique qu’une grande
quantité de matériaux doit être extraite du sol.
Le minerai est alors traité chimiquement et physiquement afin
d’obtenir un concentré d’uranium appelé « yellow cake ».
Puis il faut procéder à l’enrichissement de l’uranium 235 par rapport à l’uranium
238.
Sous forme solide, il est impossible de séparer les deux isotopes de l’uranium. Ainsi
en plusieurs étapes, l’uranium est transformé en gaz hexafluorure d’uranium UF6.
Dans des centrifugeuses à gaz, les molécules plus lourdes d’hexafluorure
d’uranium 238 sont séparées des molécules plus légères d’hexafluorure d’uranium
235.
Les molécules plus lourdes sont projetées vers la périphérie de la centrifugeuse,
alors que les plus légères migrent vers le milieu. Pour obtenir un enrichissement
suffisant, le traitement est répété de nombreuses fois. Le gaz passe d’une
centrifugeuse à l’autre, en augmentant au fur et à mesure la teneur en uranium 235.
Schéma d’une centrifugeuse
Centrifugeuses en cascade
31
POUR EN SAVOIR PLUS
La tour de refroidissement
La tour de refroidissement représente incontestablement la partie la plus visible
d’une centrale thermique à charbon ou nucléaire.
Une tour de refroidissement a une hauteur d’environ 150 mètres.
Elle sert à refroidir l’eau issue du condensateur.
L’eau chaude (40°C) du condensateur de vapeur est c onduite dans la tour et
pompée à une hauteur d’environ 15 m. Pulvérisée en fines gouttelettes, l’eau tombe
sur des plaques. Une partie de l’eau (~3%) s’évapore et est dégagée dans
l’atmosphère. La partie majeure est refroidie au contact des plaques et de l’air qui
entre en bas de la tour.
L’eau froide tombe dans le bassin de récupération, à partir duquel, l’eau est de
nouveau conduite dans le condensateur. La quantité d’eau perdue lors de
l’évaporation est remplacée par de l’eau issue d’un fleuve.
32
POUR EN SAVOIR PLUS
Les déchets radioactifs
Origine
Les déchets issus des réactions nucléaires dans un réacteur représentent le
problème majeur de cette forme de production d’énergie.
Dans le réacteur, l’uranium est bombardé pendant 3 à 4 ans par des neutrons.
Ces réactions de fission conduisent à la formation d’un nombre énorme de différents nucléides radioactifs.
Voici un schéma indiquant la masse des nucléides formés à partir d’une tonne
d’uranium :
Uranium
Apres l’arrêt du réacteur, il reste principalement de l’uranium, dont la composition
isotopique a changé :
On remarque que la composition isotopique de l’uranium irradié est similaire à celle
de l’uranium naturel, sauf que le nucléide 236U s’est ajouté.
Les transuraniens
Parmi les déchets on trouve 1,2 % de transuraniens. Il s’agit principalement
d’isotopes des éléments neptunium Np, plutonium Pu, américium Am, curium Cm,
berkélium Bk, et californium Cf.
Le plutonium est de loin le plus abondant (80%).
Puisque celui-ci est fissile, on l’utilise dans les centrales nucléaires ou même pour
la fabrication de bombes nucléaires.
33
Les produits de fission radioactifs
On compte plus de 550 nucléides radioactifs parmi les produits de fission. La
période de certains de ces nucléides est tellement petite, qu’ils se sont presque
totalement désintégrés deux ans après l’arrêt du réacteur. Néanmoins le nombre de
nucléides hautement radioactifs à périodes longues reste élevé. Exemples : 90Sr ;
129
I ; 137Cs
Les produits de fission stables
On compte environ 120 nucléides stables parmi les produits de fission. Puisque
ceux-ci ne sont pas radioactifs, ils ne représentent pas de danger de contamination.
Traitement
Après un stockage provisoire de deux ans dans la centrale nucléaire, les déchets
sont transportés dans des usines de retraitement spéciales, comme par exemple
l’usine Cogéma à la Hague en France. Des mesures de sécurité strictes doivent
être prises pour le transport des déchets hautement radioactifs.
On utilise des récipients CASTOR (cask for storage and transport of radioactive
material) qui sont souvent transportés par train. En usine, l’uranium et le plutonium
sont séparés des autres produits afin de pouvoir être réutilisés dans des centrales
nucléaires.
Les autres déchets, les produits de fission radioactifs et les transuraniens, ne
peuvent pas être recyclés. En général, les déchets sont « vitrifiés », c.à.d. on les
mélange avec du verre liquide qu’on fait couler dans des conteneurs en acier
inoxydable. Le verre se solidifie et le couvercle est soudé pour garantir l’étanchéité.
Les conteneurs sont stockés très souvent dans des galeries souterraines à une
profondeur de 300 à 1000m.
34
Énergie nucléaire
III. La fission nucléaire
Recherche
D’après les connaissances acquises au sujet de l’énergie fossile et de l’énergie
nucléaire et en vous informant à l’aide d’Internet ou de livres spécialisés, évaluez
les avantages et les désavantages liés à l’exploitation des deux formes d’énergie.
a. Considérez dans votre analyse les mots-clés suivants :
-
coûts de production et d’exploitation
ressources/réserves
pollution
risques/accidents
aspects politiques
b. Répondez aux questions suivantes :
-
peut-on préférer une technologie à l’autre ?
est-ce que les énergies renouvelables pourront représenter de
bonnes alternatives à long terme ?
35
Énergie nucléaire
OBJECTIFS
Après l’étude de ce chapitre, il faut être en mesure de:
•
d’expliquer de façon détaillée le modèle de Rutherford
•
citer les caractéristiques des particules élémentaires
•
définir « nucléide »
•
définir « nombre de masse »
•
définir « nombre atomique »
•
définir « isotopes »
•
calculer la masse d’un élément chimique à partir de la composition
isotopique
•
donner le nombre de particules élémentaires d’un nucléide donné
•
connaître le nom et le symbole des éléments chimiques de la page 44
•
définir « radioactivité »
•
expliquer l’origine de la radioactivité
•
faire la différence entre la radioactivité naturelle et artificielle
•
expliquer la désintégration alpha
•
expliquer la désintégration bêta
•
expliquer l’émission gamma
•
donner les équations de désintégration de nucléides donnés
•
reconnaître la forme de désintégration pour des transformations données
•
définir et expliquer « temps de demi-vie »
•
définir « réaction de fission »
•
représenter schématiquement une réaction de fission de l’uranium
•
expliquer la différence entre réaction contrôlée et réaction non-contrôlée
•
expliquer le fonctionnement d’une centrale nucléaire
36