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Radioactivit é artificielle
Physique nucléaire
Chapitre 16
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TRANSMUTATIONS ET
RADIOACTIVITÉ ARTIFICIELLE
Aux noyaux naturels instables est-il possible
d’ajouter, de synthétiser des noyaux artificiels eux aussi instables ?
Quels sont les moyens disponibles pour ces synthèses ?
Quelles sont les lois qui régissent ces synthèses ?
Quelles sont les applications intéressantes de ces
synthèses ?
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Découverte
de la transmutation artificielle
Dans l’azote, Lord RUTHERFORD (1919) trouva que la plupart des rayons s’arrêtent au bout d’un
parcours de 7 cm, mais que certaines particules plus rares étaient encore capables de produire des
scintillations à 40 cm.
Il put montrer que ces particules étaient des protons rapides produits pas le bombardement des atomes d’azote par les rayons a :
N + He
(
F)
H + O1 1714 4 18
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La découverte de RUTHERFORD
La source de rayons a est du
214Po qui émet un rayonnement de 7,68 MeV.
Symboliquement, l’écriture de la réaction se met sous la forme :
Puis de BOTHE, BECKER, CHADWICK : le neutron
ou encore :
9
4 Be + 4
2 He
13
6 C 12
6 C + 1 0 n
9
4 Be ( a, n ) 12 6 C 14
7 N ( a , P ) 17 8 O
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La radioactivité artificielle
Irène CURIE et Frédéric JOLIOT découvrirent en 1934 que plusieurs éléments légers, après avoir été bombardés par des particules a restent radioactifs après le bombardement : c’est la radioactivité
artificielle ou provoquée :
réaction suivie de :
27
13 Al + 4
2 He
31
15 P 30
15 P* + 1 0 n
30
15 P* 30
14 Si + + + n (n , neutrino)
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La synthèse à l’aide de neutrons
La réaction « neutron - alpha » :
La réaction « neutron - proton » :
Élément radioactif : T = 14,8 h
Élément radioactif : T = 10,2 m 27
13 Al (n , a) 24
11 Na ( 14,8 heures )
27
13 Al (n , p) 27
12 Mg
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Certains produits sont stables
La réaction « neutron - alpha » suivante :
est d’une grande probabilité.
Elle est utilisée pour mesurer l’intensité d’un faisceau de neutrons.
Pas de réaction nucléaire.
10
5 B (n , a) 7 3 Li
Cette réaction est mise à profit dans les centrales nucléaires pour absorber les
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La capture de neutrons
Ils sont aussi appelés neutrons thermiques car leur énergie cinétique est voisine de kT.
On produit ces neutrons lents ou neutrons thermiques en les ralentissant par collision contre des protons (eau) ou des
atomes de carbone (graphite).
Lors de la collision de deux particules, il y a conservation de la quantité de mouvement et de l’énergie cinétique :
m1, v1
m2, v2
m1 1 = m1 1' + m2 2' m1 12
2 = m1 '12
2 +
m2 2'2 2
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Le refroidissement thermique des neutrons rapides
Si la 2ème particule est au repos, et si la collision se fait selon la ligne des centres, la fraction d’énergie perdue par la
particule de masse m1 est telle que :
Ce rapport est maximum lorsque les deux particules ont la même masse : si m1 = m2, DE1/E1 = 1.
Si si m1 << m2, DE1/E1 @ 4 m1/m2, l’énergie transmise est négligeable.
m1, v1 m2, v2 = 0 DE1
E1 = 4 m1 m2 (m1 + m2)2
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Le choix du refroidisseur
Les atomes d’hydrogène ont cependant un défaut majeur : ils captent les neutrons dans une réaction nucléaire de type H(n, g)D.
D’où l’usage :
de l’eau lourde HDO ou mieux D
2O(cas du réacteur CANDU) ; et
du graphite, ... comme modérateur.
Note : le graphite doit être exempt de bore et autres
impuretés capables d’intercepter les neutrons.
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L’efficacité de la capture neutronique par un noyau quelconque pour amorcer une réaction nucléaire dépend de l’énergie cinétique des neutrons projectiles.
Elle est d’autant plus faible que l’énergie
cinétique (la vitesse) des neutrons est grande.
On mesure cette efficacité de capture en
barns : c’est une surface -1 barn = 10-24 m2. Cette surface pourrait être celle du cercle
centré sur le noyau cible, à l’intérieur duquel cercle, les neutrons y passant seraient captés par le noyau cible.
La section efficace
Source de neutrons
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Énergétique des réactions nucléaires
Ces réactions obéissent à des règles élémentaires :
de conservation d’énergie ;
de conservation de matière ;
de conservation de matière-énergie ; et
de conservation de quantité de mouvement.
« Rien ne se perd, rien ne se crée »
C + H C + H B + He
13 6
1 1 12
106 5
2 14
2
14
7
(
N)
*1
0 14
7 13
7
H + C He + B n + N g + N
4 2 1 1
13 106
5
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Coordonnées de réactions nucléaires
14 7N
14
7N**
13
7N + n1 0 13
6C + H1 1 10
5B + He4
2 14
7N*
a
b c a = 1 MeV
b = 6 MeV c = 2 MeV
0
Énergie (MeV)
6 12
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Bilans dans les réactions nucléaires
30 14Si
31 15P
27 13Al
31 15P*
a
3,79 MeV 3,51 MeV 2,24 MeV
Nombre de protons
Énergie (MeV) 4 6 8 10
2,24 MeV
3,51 MeV 3,79 MeV
MeV
1 1H Émission de
A B
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Accélération des particules
On peut accélérer des particules chargées (H+, He++, …) comme on le fait avec des électrons.
Ces appareils sont les accélérateurs de particules qui peuvent transmettre plusieurs dizaines de MeV.
En 1932, en utilisant un accélérateur de protons de 500 keV, on observa l’émission de rayonnement a à partir de la réaction suivante
:
7
3 Li + 1
1 H 4
2 He + 4 2 He
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Synthèse des éléments transuraniens
Les accélérateurs ont été employés pour synthétiser certains éléments transuraniens.
Ce fut le cas de l’élément 106 qui a été préparé par deux laboratoires différents :
54
24 Cr + 203
82 Pb 255
106 Sg + 2 1
0 n, (T (X) milliseconde) 18
8 O +
249
98 Cf 263
106 Sg + 4 1
0 n, (T (X) = 0,9 seconde)
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Le CERN à Genève
http://public.web.cern.ch/Public/
Et d’autres images, explications, …
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Quelques éléments transuraniens
Éléments Noms* Symbole Réactions de synthèse*
104 105 106 107 108
Rutherfordium Dubnium Seaborgium
Bohrium Hassium
Rf Db
Sg Bh Hs
248Cm (18O, 5n) 261 104 Rf 249Bk (18O, 5n) 262
105 Db 248Cm (22Ne, 5n) 265
106 Sg 249Bk (22Ne, 4n) 267
107 Bh 238U (36S, 4n) 270
108 Hs
*: Nomenclature fixée par l'IUPAC; voir C&EN, 12, 24 février 1997, 10, 17 mars et 8 septembre 1997; **: Hoffman, D. C. et D. M. Lee, J. Chem. Educ., 76(3), 332-347 (1999).
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FERMI et ses collaborateurs tentèrent d’appliquer la capture de neutrons à l’uranium, dernier élément de classification périodique, en espérant pouvoir produire des éléments de numéro atomique plus élevé.
Ils ont mis en évidence une série de produits inconnus et de réactions nouvelles que l’on peut résumer ainsi :
238
92 U (n, g) 239 92 U 239
92 U 0
-1 e + 239
93 Np 239
93 Np 0
-1 e + 239 94 Pu 239
94 Pu 4
2 He + 235 92 U
(période de 23 minutes) (période de 2,3 jours)
(période 24 100 ans)
La fission
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La fission
On pourrait donc considérer le plutonium comme le père du très rare isotope
235U.
238U 239Pu
Lorsqu’un neutron
frappe un noyau d’uranium-238
non fissile
il y a éjection de deux particules
et formation d’un noyau de plutonium-239
fissile
238U
e- e-
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La fission
En 1939, il semblait bien établi que seules des particules ne dépassant par la masse des
particules a pouvaient être éjectées du noyau.
Or, dans le bombardement de l’uranium 235 par des neutrons, il apparaissait également l’élément
139
Ba.
Il fallait donc admettre une véritable cassure du
noyau, une fission.
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Le principe de fonctionnement de la bombe A
1
0 n + 235
92 U 143
56 Ba + 83
36 Kr + 10 1 0 n 1
0 n + 235
92 U 139
53 I + 95
39 Y + 2 1 0 n 1
0 n + 235
92 U 136
54 Xe + 88
38 Sr + 12 1 0 n
Fission de l’uranium 235 bombardé par les neutrons lents ou rapides :
La distribution de ces produits est telle que 72 < M < 162.
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neutron
235U
La fission de l’uranium
Énergie
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L a fi ss io n de l’ ur an iu m et la f is si on e n ch aî ne
énergie neutron
235U
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Fréquence de fission de
235U
Fréquence (%)
M
60 100 140 180
10-5 10-3 10-1 10
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Distribution d’énergie et section efficace des neutrons émis par
235U
10 100
103
barns
Énergie (MeV)
0,1 1
0,01
Nombre
0 0,2 0,4
Énergie (MeV)2 4
0,72
Neutrons thermiques
235U
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La centrale nucléaire type
Pour le principe de fonctionnement, il faut disposer et agencer :
1- une source fissile (un combustible nucléaire) ;
2- un fluide caloporteur qui saura extraire l’énergie thermique (production d’énergie) ;
3- un modérateur de neutron (augmenter l’efficacité du réacteur) ; et
4- un système de contrôle constitué d’un absorbeur de neutrons (les contrôles de sécurité).
Il existe bien sûr plusieurs solutions.
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Des exemples de centrales
Combustible Modérateur Fluide
caloporteur Nationalité
U naturel graphite CO2 France
U naturel eau lourde eau lourde sous
pression Canada U enrichi eau naturelle en ébullition États-Unis
U enrichi eau sous pression URSS
U enrichi ou
plutonium aucun Na liquide Sous-marins nucléaires
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Le principe de construction d ’une centrale nucléaire
Sans oublier les réflecteurs de neutrons sur le pourtour extérieur et la cuve en béton.
Ralentisseur Fluide
caloporteur
Barres de contrôle Barreaux
d ’uranium
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Installations nucléaires
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Le surgénérateur
Le surgénérateur est un réacteur nucléaire de conception particulière (neutrons rapides, Na liquide comme fluide caloporteur).
Le cœur est constitué d’une charge d’oxyde d’uranium
naturel (surtout 238U) et d’oxyde de plutonium (le matériau fissile) en proportion de 85-15.
Autour de ce cœur sont disposés des revêtements chargés initialement en uranium naturel.
En fonctionnement (production d’énergie), l’uranium 238 absorbe une partie des neutrons (voir ci-haut) et le réacteur produit plus de plutonium qu’il n’en consomme.
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Des réacteurs naturels ??
Prévu en 1956 par un japonais, Paul KURODA, un français analysant des échantillons d’uranium en provenance du Gabon observait en 1972 des déviations dans les concentrations
relatives de produits normalement observés dans un minerai.
Sa conclusion : des réacteurs naturels avaient fonctionné à Oklo pendant 1 million d’années il y a de cela 200 106 ans.
Ces dépôts d’uranium sont particulièrement riche : 30 % d ’U et un rapport 235U/238U de 3 %.
Leur dimension : plusieurs mètres de diamètre et quelques dizaines de cm d’épaisseur.
Le fonctionnement est plutôt complexe mais s’apparente autant à un surgénérateur qu’à une centrale conventionnelle.
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Les réacteurs d’Oklo
Réacteurs nucléaires naturel d ’Oklo
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Les déchets nucléaires à Oklo
stabilisés mobiles
Partiellement et localement redistribués
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La fusion
On a montré que les noyaux les plus stables sont situés au voisinage du fer.
Les atomes légers, en se combinant doivent libérer de l’énergie.
On pouvait aisément accélérer. On trouva que
:
C’est le principe de la réaction thermonucléaire et de la bombe H.
2
1 H + 3
1 H 4
2 He + 1
0 n + 168,9 107 kJ
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La fusion dans les étoiles
Au moins deux cycles thermonucléaires ont été observés.
Un cycle similaire à celui tout juste décrit et qui implique les atomes d’hydrogène dans la synthèse de noyaux
d ’hélium : c’est la chaîne P – P.
Un cycle qui implique les noyaux de carbone, d’azote et d’oxygène dans la synthèse de l’hélium : cycle CNO.
L’importance relative des deux cycles dépend de la température réactionnel.
Plus l’étoile est chaude et plus le cycle CNO est relativement important.
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Le cycle de BETHE
1H + 12C 13N + g
13N 13C + ß+ + n
1H + 13C 14N + g
1H + 14N 15O + g
15O 15N + ß+ + n
1H + 15N 12C + 4He
4 1H 3 g + 2 + + 2 n + 4He + 25 MeV
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Chaîne proton - proton
Principales réactions de la chaîne proton-proton.
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Importance relative des cycles P-P et CNO
T (106 K)
Vitesse de production d’énergie par les cycles P-P et CNO en fonction de la température.
Soleil Cycle CNO Cycle
proton - proton
Échelle relative
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Conclusion
Il existe plusieurs méthodes de synthèse de nouveaux noyaux toutes basées sur le bombardement d’une cible (un noyau) par un projectile constitué d’un noyau quelconque : le proton, le rayonnement a, le neutron jusqu’à des noyaux relativement lourds.
La synthèse de nouveaux noyaux a des applications en médecine nucléaire.
L’industrie de l’électronucléaire repose sur la fission de noyaux très gros (transuraniens) alors que la fusion nucléaire utilise l’énergie libérée dans l’interpénétration de noyaux légers.
Ce sont les processus de fusion qui font fonctionner le soleil et les étoiles.
