De l'uranium au plutonium

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De l'uranium au plutonium

SAINI, Hugo-Jean

SAINI, Hugo-Jean. De l'uranium au plutonium. Comptes rendus des séances de la Section des sciences naturelles et mathématiques , 1946, no. 1, p. 7-11

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De l'uranium au plutonium

par Hugo SAINI

Privat-docent à la Faculté des Sciences de l'Université de Genève Séance du 26 février 1946

On sait, depuis les travaux de Hdsenberg, que les noyaux atomiques sont cons"titués par deux sortes de particules seuie­

rnent : les protons et les neutrons.

Le ^proton est une particule portant une charge électrique positive égale en valeur absolue à celle de l'électron. Sa valeur = 4, 8. ro-¹⁰UES cgs. Sa masse atomique a pour valeur 1,00758 gramme.

....,.... 8 -

Le neutron découvert en r 9 32 par

J.

Chadwick, physicien de Cambridge, est une particule neutre ne portant pas de charge électrique. Sa masse est un peu plus élevée que celle du proton, sa valeur est r,00893 gramme (il s'agit là de masses atomiques, c'est-à-dire de masses rapportées à 6. r9²³ particules).

Selon la loi de Coulomb, f = r/k. qq'/r², des protons èn présence se repousseront avec une· force d'autant plus grande qu'ils seront plus rapprochés, ils ne peuvent donc pas, à eux seuls, former des noyaux. Il faut leur adjoindre d'autres parte­

naires jouant le rôle de ciment et qui, par leur présence, ajou­

teront aux forces répulsives « coulombiennes », des forcc:s attractives bien plus grandes ; c'est là le rôle des neutrons.

Il existe, en· effet, entre ces derniers et les protons, des forces de liaison très grandes de nature différente de celle des force:.

électrostatiques de Coulomb. Mais à côté de ces forces d'attrac­

tion ou mieux d'interaction entre. protons et neutrons, forces représentées symboliquement par F1(p,n), il en existe d'autres, découvertes en r939, par toute une série d'expérimentateunJ américains qui ont étudié d'une manière minutieuse la diffu­

sion des protons par des protons très rapides. Les résultats des mesures ont fourni des indications sur les forces· attrac­

tives entre protons lors des chocs de ces particules entre elles.

Ces travaux ont conduit les physiciens théoriciens à imaginer

· l'existence d'interaction entre protons seuls F2(p,p ), et aussi entre ·neutrons seuls Fa(n,n). Pour des nombres bien déterminés de protons et de neutrons, les noyaux seront donc plu, ou moins stables.

* * *

L'uranium bombardé par des neutrons donne lieu à une série de· transformations radioactives très complexes dont l'étude, commencée en r938, a duré des années et a exigé le concours des plus grands physiciens et chimistes du monde entier. C'est à propos du plutonium que l'on a parlé de machines atomiques et c'est lui qui a joué le rôle d'explosif dans la bombe atomique.

On sait aujourd'hui qu'il y a deux isotopes de l'uranium : l'uranium U''

!!"

formant le 0,7 °/o de l'uranium naturel et l'uranium U'' ^;;s, le 99,3 ^°/o.

Le 235 absorbe les neutrons lents et donne lieu à une fission qui libère environ 3 neutrons.

Le 238 capture les neutrons rapides et se transforme en neptunium puis en plutonium.

Cas du 238. Des considérations théoriques et empmques dues à Bohr et Wheler d'une part et à Turner d'autre part, ont permis en juin 1940 de prévoir le comportement probable de l'uranium bomb�rdé par des neutrons.

Les connaissances actuelles nous apprennent que l'uranium 238 absorbant un neutron, se transforme en isotope 239, lequd renferme un excès de neutrons. Cet uranium 239 doit donc être radioactif. Il donne en effet naissance au neptunium (N p ;• "³⁰ ₃ J qui presente encore un exces · e neutrons. e ermer ^{• ' '} d C d · à son tour se transforme en plutonium. On a les réactions suivantes :

U*²³8

+

n ¹

=

^U*239

+

_{rayons r}

� 0 ---92:.___.--

excès de neutrons excès de neutrons U*²³9

=

_N*^23S

+

_è ⁰

92 93 -1 (Période 23 minutes)

Np*::•

=

_Pu::⁰

+

^e_"1

+

rayons r (Période 2,3 jours) Ce plut�nium qui a, lui aussi encore un excès de neutrons, est radioactif: Il émet des particules· alpha et se transforme en uranium:

Pu*2ao -= U*2a5 �4 02

+

^He4 2

Ce sont les phy�iciens de l'Université de Berkeley qui, en été 1940, ont préparé du plutonium. En lançant, sur un écran de béryllium, des deutons accélérés par les cyclotrons de Ber­

keley et de Saint-Louis, ils ont obtenu une source de neutrons d'une intensité de 3500 curies, équivalente à 3,5 kilogrammes de radium!

Be" ₄

+

^H2 ₁

⁼

8¹⁰ ₆

+

n¹ ₀ (Energie des neutrons 7.ro⁶eV.)

IO -

Après avoir bombardé, à l'aide de ces neutrons, plusieurs centaines de kilogrammes de nitrate d'uranyle, ces savants ont réussi, à la fin de 1942, à créer 500 microgrammes de plutonium. Or un microgramme, gr&ce aux techniques moder­

nes, suffit, aux microchimistes, pour effectuer les opérations courantes (titration, solubilité, etc.). On a pu ainsi déterminer les, propriétés physico�chimiques de l'élément 94, qui était encore totalement inconnu en 1940.

L'analyse chimique a montré que le plutonium fait partie d'une nouvelle famille de terres rares qui débuterait avec l'ura-·

nïum. Sa structure électronique ainsi que sa valence ont été déterminées. Celle-ci présente les valeurs 3, 4, 5 et 6 ; deux états d'oxydation auraient été observés.

Bombardé par des neutrons thermiques, il donne lieu, comme l'uranium ² 3 5 à une fission ; celle-ci, selon la vitesse initiale des neutrons, peut prendre l'allure d'une réaction explosive. Le plutonium, avec ses propriétés chimiques et son émission alpha, constitue l'une des substances les plus dange­

reuses pour le corps humain.

Le premier isotope du plutonium qui fut préparé, a été le

2 3 8 et non le ² 3 9- Les plî.ysiciens américains sont partis de l'uranium 238, bombardé par des deutons accélérés à l'aide du cyclotron de Berkeley.

U*23s ₉₂

+

02 = Np*2ss _{1 93} ^-1_ _l 2 n' ₀ Np*²ss = Pu"3s

+

e o

93 94 -1

Ce plutonium est radioactif avec émission d'une parti­

cule alpha et présente une période de 50 ans.

Pu*2ss = U*2a4 _{94 112}

+

^He4 ₂

La production industrielle de cet élément se fait dans des machines appelées piles atomiques, à raison de un gramme de plutonium pour quelques tonnes d'uranium !

Au cours de la réaction nucléaire où l'uranium se trans­

forme en plutonium, il se produit un dégagement d'énergie d'environ 25 millions de kilowattheures par kilogramme de plutonium formé. Si l'on veut obtenir une production journa-

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11ere d'un kilogramme de cet élément, il convient de dissiper une puissance de l'ordre du million de kilowatts, soit plus de dix fois la puissance de notre usine de Verbois.

Le lecteur désireux de connaître l'historique de ces travaux passionnants, ainsi que l'organisation et les noms de tous les savants illustres qui collaborent à cette tâche immense, liront avec intérêt le rapport officiel publié par le Gouvernement des Etats-Unis, H. D. Smyth, Atomic Energy, publié par His Majesty's Stationery Office, London, 1945.