2GT.10. Modélisation des transformations nucléaires

Les élèves doivent savoir
  • Identifier des isotopes.
  • Établir, à partir des noyaux père et fils, l’équation de la réaction nucléaire associée.
  • Relier l’énergie convertie dans le Soleil et dans une centrale nucléaire à des réactions nucléaires.
  • Identifier la nature physique, chimique ou nucléaire d’une transformation à partir de sa description ou d’une écriture symbolique modélisant la transformation.

Plusieurs variétés d’atomes : les isotopes

Les isotopes d’un élément chimique sont des atomes qui ont le même nombre de protons et, donc, d’électrons, mais pas le même nombre de neutrons.

Exemple : pour le carbone, il existe plusieurs isotopes :

  • {}_{6}^{12}C : aussi appelé carbone 12 est l’isotope le plus commun et représente 98,93 % des atomes de carbone. Il est stable, donc ne se modifie pas dans le temps. Il possède 6 neutrons dans son noyau.
  • {}_{6}^{13}C : aussi appelé carbone 13 est un isotope qui représente 1,07 % des atomes de carbone. Comme le carbone 12 il est stable, mais possède 7 neutrons dans son noyau.
  • {}_{6}^{14}C : aussi appelé carbone 14 est un isotope présent à l’état de traces. Son noyau possède 8 neutrons et est radioactif. Comme il se décompose au cours du temps de façon régulière, on l’utilise pour la datation (datation au carbone 14).

Réaction nucléaire et radioactivité

De l’ensemble des éléments que nous venons de voir, on pourrait supposer que les atomes sont immuables et très stables, mais ce n’est pas vrai pour tous les atomes. En 1896, le physicien français Henri Becquerel découvre, par hasard en étudiant la phosphorescence, que les matériaux contenant de l’uranium étaient capable d’impressionner des plaques photographiques, comme les rayons X. Les travaux ultérieurs avec Pierre et Marie Curie ont montré que les rayonnements dus à l’uranium pouvaient se diviser en trois catégories, nommées rayons α, β et γ (alpha, béta et gamma).

Certains isotopes peuvent se transformer spontanément en un autre noyau par des transformations nucléaires.

Ces transformations nucléaires s’écrivent d’une façon similaires à des réactions chimiques et au cours de celles-ci il y a conservation du nombre de charge Z et du nombre de masse A.

Il se trouve que l’équilibre qui règne entre les nucléons (neutrons et protons), qui est dû aux interactions électrostatiques, faibles et fortes, amène certains noyaux d’atome à être instables. Ces noyaux instables peuvent alors éjecter un noyau d’hélium, c’est le rayonnement α (alpha), un électron ou un positron (antiélectron positif), c’est le rayonnement β (béta + ou béta -) et ces types de désintégrations radioactives s’accompagnent de l’émission d’un rayonnement électromagnétique γ (gamma) et donc de photons.

La radioactivité naturelle est la désintégration radioactive d’un noyau père en un noyau fils avec émission d’un rayonnement électromagnétique γ et d’une particule.

Réactions nucléaires provoquées

Peu de temps après la découverte de la radioactivité et de son fonctionnement, un grand nombre de scientifiques du monde entier se sont mis à chercher des applications pratiques à ces réactions. Le dégagement d’énergie semblait prometteur et au milieu du XXe siècle deux types de réactions nucléaires ont pu être provoquées et maitrisées par l’homme : la fission atomique de noyaux lourds puis, une dizaine d’années plus tard, la fusion de noyaux légers.

La fission atomique est une réaction provoquée par l’envoi d’un neutron rapide sur un noyau d’atome lourd fissile, comme l’uranium 235 ( ) ou le plutonium 239 ( ). Cette réaction produit de nouveaux neutrons qui vont, à leur tour, déclencher de nouvelles fissions : c’est la réaction en chaine qui libère une forte énergie sous la forme d’un rayonnement électromagnétique γ (gamma). Après son première usage comme bombe atomique, utilisé deux fois sur les villes japonaises d’Hiroshima et de Nagasaki en 1945, cette réaction est aujourd’hui celle qui permet de faire fonctionner les centrales nucléaires.

Il est à noter que cette réaction peut se produire spontanément sur Terre, comme l’ont découvert les géologues qui ont analysé d’anciens réacteurs nucléaires naturels comme celui d’Oklo au Gabon.

Réaction de fusion nucléaire

La fusion est une réaction nucléaire dans laquelle deux noyaux légers, possédant une forte énergie, s’associent pour former un noyau plus lourd et libère une forte énergie sous la forme d’un rayonnement électromagnétique γ (gamma).

La fusion est la réaction nucléaire qui se produit dans les étoiles, comme le Soleil, où les pressions et les températures sont suffisamment élevées pour vaincre les forces de répulsions électromagnétiques et forcer les noyaux atomiques à fusionner. Cette réaction va alors y produire une énergie phénoménale (15 millions de degrés au cœur du Soleil par exemple), entretenir les fusions nucléaires et produire de nouveaux éléments chimiques.

Sur Terre l’homme ne maitrise pas encore totalement cette réaction et ne l’utilise que pour la création de bombes dites « à hydrogène » pour le moment alors que la recherche continue, notamment avec le projet ITER dans le sud de la France, pour l’utiliser dans des réacteurs afin de produire de l’énergie « propre » (pas de déchets radioactifs).


Réaction de fusion entre le deutérium (A=2) et le tritium (A=3), deux isotopes de l’hydrogène

Équations de réactions nucléaires

Une réaction nucléaire n’est pas une réaction chimique et il n’y a pas de conservation des éléments chimiques ! En revanche elle respecte la loi de conservation de Soddy :

Il y a conservation du nombre de masse

Il y a conservation du nombre de charge

En revanche il n’y a pas conservation de la matière !!

Lorsqu’on écrit une équation de réaction nucléaire on va intégrer tous les éléments possédants une masse (noyaux d’atomes, électrons, positons – électrons positifs – et neutrons) mais pas les photons qui sont dissipés sous la forme de rayonnement γ (gamma) et qui résulte de la transformation d’une partie de la masse sous forme d’énergie (voir plus loin).

Voici quelques exemples d’écritures de réactions nucléaires. Pour vérifier que l’écriture est correcte il suffit de totaliser les nombres de masse et de charge de part et d’autre de l’équation pour vérifier qu’elle est égale (voir sous les équations) :

Les centrales nucléaires à fission

Alors que les centrales électriques thermiques (au charbon, gaz ou pétrole) effectuent une transformation chimique pour convertir une énergie chimique en énergie mécanique dans la turbine, puis en énergie électrique dans l’alternateur (avec des pertes à chaque transformation), une centrale nucléaire part d’une transformation d’énergie nucléaire.

Dans le réacteur de la centrale, l’énergie nucléaire est convertie en énergie de rayonnement et en énergie thermique transmise à un liquide à base de sels fondus.

La conversion d’une énergie thermique en énergie mécanique se fait principalement en utilisant la chaleur emmagasinée dans les sels fondus pour chauffer de l’eau jusqu’à ce qu’elle s’évapore. Cette vapeur est alors contenue dans un réservoir fermé, ce qui fait monter la pression du gaz. On utilise alors cette pression pour faire tourner une turbine qui va générer un mouvement de rotation.

La rotation du rotor dans l’alternateur va alors produire du courant électrique alternatif aux bornes de ce dernier, de la même façon que dans une dynamo de vélo par rotation d’un aimant près d’une bobine. Cela permet de convertir l’énergie mécanique en énergie électrique.

Ce courant alternatif va alors transiter sur le réseau électrique après être passé par un transformateur qui élève la tension pour limiter les pertes en lignes dues à l’effet joule sur les fils conducteurs.

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