Approche documentaire sur l’énergie nucléaire et sur les radionucléides Cette approche documentaire est constituée de 3 documents.

Approche documentaire sur l’énergie nucléaire et sur les radionucléides

Cette approche documentaire est constituée de 3 documents.

Document 1 : L’énergie nucléaire : fusion et fission

L'énergie nucléaire peut être libérée de deux façons : en cassant des noyaux atomiques lourds ou en fusionnant des noyaux très légers, ce qu'on appelle respectivement la fission et la fusion nucléaire.

Si la fission est contrôlée depuis longtemps pour la production d'électricité, ce n'est pas encore le cas de la fusion.

• Fission nucléaire

La fission est la rupture d’un gros noyau (noyau d’uranium 235, par exemple) qui, sous l’impact d’un neutron, se scinde en deux noyaux plus petits. La fission s’accompagne d’un grand dégagement d’énergie. Simultanément se produit la libération de deux ou trois neutrons.

Les neutrons ainsi libérés peuvent provoquer à leur tour la fission d’autres noyaux et la libération d’autres neutrons, et ainsi de suite… On a une réaction en chaîne puisqu’en induisant une seule fission dans la masse d’uranium, on peut obtenir si on ne contrôle pas les neutrons au moins 2 fissions, qui vont en provoquer 4, puis 8, puis 16, puis 32…

Les deux principales utilisations de la fission sont les réacteurs nucléaires et les bombes nucléaires de type A. Dans les réacteurs, la réaction en chaîne est stabilisée à un niveau donné, c’est-à-dire qu’une grande partie des neutrons est capturée afin qu’ils ne provoquent pas d’autres fissions. Il suffit seulement qu’un neutron, à chaque fission, provoque une nouvelle fission pour libérer régulièrement de l’énergie. Au contraire, pour la bombe, la réaction en chaîne doit être la plus divergente possible dans le temps le plus court : on favorise sa croissance exponentielle et l’on confine l’énergie le plus longtemps possible.

• Fusion nucléaire

La fusion nucléaire constitue le mécanisme à l'origine du rayonnement des étoiles et en particulier du Soleil. En effet, au sein des étoiles, les noyaux légers fusionnent et produisent des noyaux plus lourds.

Au cours de cette réaction de fusion, la masse du noyau produit est inférieure à la somme des masses des noyaux légers d'origine. La différence de masse, en vertu de la célèbre relation d'Einstein, E=mc², est alors convertie en énergie. On estime ainsi que, dans le Soleil, pas loin de 600 millions de tonnes d'hydrogène sont transformés en 596 millions de tonnes d'hélium chaque seconde. La différence est alors convertie en énergie et est à l'origine de la chaleur et de la lumière que nous recevons.

Bien que l'énergie libérée par la fusion nucléaire soit considérable, les réactions de fusion ne se produisent pas spontanément, du moins dans les conditions de température et de pression auxquelles nous sommes habitués. Ainsi, la probabilité d'observer une réaction de fusion entre deux noyaux d'hydrogène à la surface de la terre est quasiment nulle. En effet, pour fusionner, les noyaux, qui sont chargés positivement, doivent d'abord vaincre leur tendance naturelle à se repousser. Ceci est possible lorsque la matière est dans des conditions extrêmes comme au cœur du Soleil (pression énorme et température de plusieurs millions de degrés.

Maîtriser sur Terre la fusion de noyaux légers, tels que le deutérium et le tritium, ouvrirait la voie à des ressources en énergie quasiment illimitées.

Grâce aux machines appelées « tokamak », les chercheurs expérimentent depuis plusieurs années la fusion par confinement magnétique. Aujourd'hui la communauté scientifique internationale s'apprête, en France à Cadarache, à construire le plus important tokamak jamais réalisé. C'est le projet ITER qui devrait permettre de démontrer la faisabilité scientifique et technologique de l'énergie de fusion.

Courbe d’Aston

Ce graphe présente pour les noyaux l’énergie de liaison par nucléon en fonction du nombre de masse A.

L’énergie de liaison d’un noyau est l’énergie à fournir pour le dissocier en ses nucléons isolés.

Questions sur le document 1

1- Ecrire les réactions nucléaires de fusion et fission indiquées sur la courbe d’Aston (en équilibrant les nombres de charge et de masse). On rappelle que la fission est provoquée par la capture d’un neutron.

2- Pour ces deux types de réaction, la masse obtenue est-elle supérieure ou inférieure à la masse initiale ? Justifier brièvement.

Pour des infos complémentaires :

http://www.cea.fr/jeunes/themes/l-energie-nucleaire

http://www.iter.org/fr/accueil pour le projet ITER sur la fusion contrôlée

Document 2 : Scintigraphie et décroissance radioactive

Certains atomes ont des noyaux instables, ce qui est dû à un excès soit de protons, soit de neutrons, ou encore à un excès des deux. Ils sont dits radioactifs et sont appelés radio-isotopes ou radionucléides ou radioéléments.

Activité d’un échantillon radioactif

L’activité A(t) d’une substance radioactive mesure le nombre moyen de désintégrations par unité de temps. Elle s’exprime en Becquerel (symbole Bq) où 1 Bq correspond à 1 désintégration par seconde.

L’activité A(t) est reliée au nombre de noyaux de l’échantillon N(t) par la relation :

/ λ

Un examen médical, la scintigraphie thyroïdienne

(d’après Bac 2005 Réunion et www.med.univ-rennes1.fr et http://www.ch-roubaix.fr)

La thyroïde est une glande, située dans la région cervicale antérieure, appliquée contre le larynx et la partie supérieure de la trachée. La fonction principale de cette glande est la sécrétion des hormones thyroïdiennes à partir de l'iode alimentaire qui se fixe temporairement sur cette glande. De petite taille, pesant 15 à 25 g chez l'adulte et mesurant environ 4 cm en largeur et 3 cm en hauteur, elle n'est normalement pas, ou à peine, palpable. Mais elle peut s'hypertrophier, soit de manière plus ou moins diffuse et homogène, soit de manière localisée avec la formation de nodule(s). Ces nodules peuvent principalement être de deux sortes : hypofixant ou hyperfixant. Ils sont dits hypofixants s'ils fixent peu d'iode par rapport au reste de la thyroïde. Inversement, ils sont dits hyperfixants s'ils fixent plus d'iode que le reste de la thyroïde.

La scintigraphie thyroïdienne est une technique d'exploration physiologique, elle constitue un examen complémentaire à l’exploration anatomique par échographie par exemple. Cet examen permet de déceler des nodules de la thyroïde. Lors d’une scintigraphie, une image de l'organe étudié est reconstituée.

Image obtenue après scintigraphie de la thyroïde d’un patient malade :

Utilisation de traceurs radioactifs

(d’après http://www.energethique.com et bac Réunion 2005)

Pour effectuer une scintigraphie, on utilise des traceurs radioactifs, injectés dans le corps du patient. Les radionucléides utilisés sont les suivants : technétium 99, iode 131, ou iode 123. L’iode 123 émet un rayonnement gamma, l’iode 131 émet des électrons très énergétiques, des rayons gamma, et bêta ; il est donc lui aussi émetteur gamma. Les rayons gamma peuvent être détectés par un appareil de mesure appelé "détecteur à scintillations", celui-ci reconstitue une image de l’organe à partir des rayonnements émis.

On donne ci-dessous l’équation de réaction de désintégration de l’iode 131 :

L’émission de rayons gamma vient de la désexcitation du noyau de xénon formé.

L'iode 123 émet un rayonnement gamma de l’ordre de la centaine de KeV, très favorable à la détection, et à temps de demi-vie (ou période radioactive) court, de 13 heures. Il sera donc privilégié pour l'imagerie, malgré son coût élevé, lié à sa production par cyclotron. La période de l’iode 131 de 8 jours et

53

131

→

+

l'émission bêta le rendent très favorable à une utilisation thérapeutique. Son rayonnement gamma très énergétique (plusieurs centaines de KeV) fait que l'on peut le choisir pour certaines applications d'imagerie, pour certains organes dont le métabolisme est lent (la glande surrénale, par exemple).

131I ¹²³I ⁹⁹Tc

λ131 = 1,023×10^–6 s^–1 λ123 = 1,459×10^–5 s^–1 λ99 = 3,21×10^-5 s^-1

Constantes radioactives de quelques traceurs radioactifs

Mode opératoire et lecture d’une scintigraphie de la thyroïde :

On injecte par exemple au patient, une dose de ^13II, d'activité A = 7 MBq, contenu dans une solution d'iodure de sodium Nal où l'iode est le traceur radioactif. On laisse alors l'iode se fixer sur la thyroïde pendant quelques heures, puis on réalise la scintigraphie. L’image obtenue présente des zones foncées représentant les zones de l'organe fortement émettrices en rayons gamma.

Déchets hospitaliers radioactifs

(d’après http://www.criirad.org/rayonnements/A1-effluents-hospitaliers.pdf)

Une grande partie de l’activité administrée est éliminée par les voies naturelles durant les heures ou les premiers jours (parfois les semaines) suivant l’administration des substances radioactives. On estime par exemple qu’environ 84 % de l’iode 131 sont éliminés via les urines des 5 premiers jours. Une partie seulement de ces effluents est collectée de manière spécifique au niveau de l’hôpital. C’est le cas par exemple pendant la phase de confinement en chambre dite «plombée » pour les patients qui subissent une thérapie qui met en jeu plusieurs centaines de MBq d’iode 131. Dans ce cas, les effluents sont mis en attente avant rejet dans des cuves de décroissance. Sachant que la période radioactive est le temps au bout duquel la moitié des atomes radioactifs se sont désintégrés, un liquide (des urines de patient) dont le niveau de contamination en iode 131 est de 1 million de Bq/L aura ainsi une radioactivité résiduelle de 500 000 Bq/L au bout de 8 jours, 250 000 Bq/L au bout de 16 jours (2 périodes) et 5 000 Bq/L au bout de 2 mois (7,5 périodes).

A titre indicatif, l’arrêté du 30 octobre 1981 prévoit que « l’évacuation des cuves de stockage des effluents liquides ne peut intervenir que si l’activité volumique est inférieure à 7 becquerels par litre ».

La question est alors celle de la capacité de stockage des cuves de l’hôpital.

Animation présentant l’examen médical :

http://caeinfo.in2p3.fr/IMG/flash/anims/appmedi/scinti/animScintigraphieFinal.swf

Pour des infos complémentaires sur les déchets :

http://www.cea.fr/jeunes/themes/l-energie-nucleaire/l-essentiel-sur-les-dechets-radioactifs http://www.laradioactivite.com/fr/site/pages/Dechets_radioactifs.htm

Questions sur le document 2

1- D’après la définition de l’activité d’un échantillon radioactif, trouver la fonction N (t) puis A (t) ? 2- A quelle grandeur vue en cinétique correspond la constante radioactive λ ?

3- Quel est la relation entre la période radioactive et la constante radioactive ?

4- En quoi le graphe de décroissance radioactive vous permet-il d’affirmer qu’il s’agit bien d’une réaction d’ordre 1 .

5- Dégager les avantages liés à l’utilisation de l’iode 123 par rapport à l’iode 131 du point de vue du patient concerné par une scintigraphie thyroïdienne, et du point de vue de la gestion des déchets par l’hôpital. Pour argumenter, on s’appuiera sur des développements numériques : pour le patient, on pourra calculer le temps nécessaire pour qu’il ne reste que 1 % de l’activité initiale. Pour les déchets, tenir compte de l’arrêté du 30 octobre 1981.

6- Réaliser un diagnostic médical de la scintigraphie thyroïdienne présentée dans le document.

Document 3 : Datation au carbone 14

Sources :

http://www.cea.fr/jeunes/themes/la-radioactivite/l-essentiel-sur-la-datation-au-carbone-14 http://www.laradioactivite.com/fr/site/pages/datation_carbone14.htm

Le carbone 14 est un isotope radioactif du carbone. Sa période radioactive, temps au bout duquel la moitié de ces atomes s’est désintégrée en azote 14, est de 5 730 ans. Se formant dans la haute atmosphère de la Terre, il existe 1 atome de carbone 14 pour 1 000 milliards de carbone 12 (isotope non radioactif).

Comme tout isotope du carbone, le carbone 14 se combine avec l’oxygène de notre atmosphère pour former alors du CO₂ (dioxyde de carbone). Ce CO₂ est assimilé par les organismes vivants tout au long de leur vie : respiration, alimentation… En mourant, ils n’en assimilent plus. La quantité de carbone 14 assimilé diminue alors au cours du temps de façon exponentielle tandis que celle de carbone 12 reste constante.

La datation repose sur la comparaison du rapport entre les quantités de carbone 12 et de carbone 14 contenues dans un échantillon avec celui d’un échantillon standard de référence. On déduit de cette comparaison « l’âge carbone 14 » de l’échantillon qu’on cherche à dater. Cet « âge carbone 14 » est ensuite traduit en âge réel (ou « âge calendaire »), en le comparant à une courbe-étalon, réalisée par les chercheurs à force de nombreuses mesures complémentaires. On peut ainsi en déduire l'âge de l’objet étudié et remonter jusqu'à 50 000 ans environ (au-delà, la technique n’est pas assez précise).

Méthodologie

1. Les chercheurs prélèvent un échantillon d’un objet (quelques grammes ou microgrammes) qu’ils veulent dater, et le préparent à travers une succession de réactions physico-chimiques.

2. Les chercheurs déterminent la quantité de carbone 14 par des mesures de radioactivité ou par spectrométrie de masse, et peuvent ainsi calculer « l’âge carbone 14 » de l’objet.

3. Il leur faut ensuite comparer cet « âge carbone 14 » à une courbe d’étalonnage pour relier cet âge relatif à un âge réel, et ainsi savoir depuis combien de temps l’objet existe.

Pourquoi la datation au carbone 14 est une mesure dite « relative » ?

La quantité de carbone 14 formé dans la haute atmosphère, bien qu’assez constante, peut connaître des variations. Le carbone-14 est constamment renouvelé. Il a pour origine des particules cosmiques provenant principalement du soleil. Ces particules quand elles pénètrent dans la haute atmosphère brisent les noyaux qu'elles rencontrent. Dans la collision, des neutrons sont libérés. Ces neutrons rencontrent à leur tour un noyau d'azote de l'air. Ils s'introduisent dans ce noyau, provoquant l'expulsion d'un proton et une transmutation en carbone-14.

Il est naturel de supposer que le bombardement cosmique responsable de cette formation est constant à l'échelle de quelques milliers d'années. Ce bombardement dépend principalement de deux facteurs qui varient très lentement, l'activité solaire et le champ magnétique terrestre. Le champ magnétique terrestre sert de bouclier contre le rayonnement cosmique. Quand sa valeur diminue, le bombardement cosmique augmente et avec lui la formation de carbone-14.

De plus, cet élément ne se répartit pas uniformément sur Terre : la quantité assimilée par les organismes varie donc en fonction du contexte dans lequel vivait l’organisme (quantité formée en haute atmosphère, conditions environnementales, métabolisme, etc.).

Comme ces mécanismes sont variables, les « âges carbone 14 » sont relatifs : ils dépendent pour une part de l’âge de l’objet d’étude, mais également des conditions environnementales qui existaient alors.

Pour pallier cela, les chercheurs ont établi une échelle de calibration des « âges carbone 14 » avec différentes mesures d’objets dont on connaît la date (datation absolue), pour les comparer avec les « âges carbone 14 » qu’ils obtiennent (datation relative).

Questions sur le document 3

1- Ecrire la réaction de formation du carbone 14 dans la haute atmosphère (on équilibrera en nombre de charge et de masse).

2- Expliquer comment les organismes vivants, animaux et végétaux, assimilent le CO₂ tout au long de leur vie.

3- A partir du site http://www.laradioactivite.com/fr/site/pages/etalonnerdansletemps.htm , citer une technique permettant d’étalonner la courbe des « âges carbone 14 », et la période qu’elle recouvre.