Radioactivité artificielle

1. Radioactivité artificielle Physique nucléaire Chapitre 16 Guy Collin, 2012=06-29

2. 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 ?

3. 14 7 4 2 18 9 1 1 17 8 N + He ( F ) H + O 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 :

4. 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 :

5. 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 :

6. La synthèse à l’aide de neutrons • La réaction « neutron - alpha » : Élément radioactif : T = 14,8 h • La réaction « neutron - proton » : Élément radioactif : T = 10,2 m

7. 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. Cette réaction est mise à profit dans les centrales nucléaires pour absorber les neutrons en cas d’emballement du réacteur.

8. m1, v1 m2, v2 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 :

9. m1, v1 m2, v2 = 0 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 sim1 << m2, DE1/E1@ 4 m1/m2, l’énergie transmise est négligeable.

10. 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 D2O(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.

11. Source de neutrons La section efficace • L’efficacitéde 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.

12. 1 1 H + C He + B n + N g + N 13 6 13 6 C + H C + H B + He 1 1 4 2 10 5 12 6 2 1  ( N )* 14 7  13 7 1 0 10 5 4 2 14 7 Énergétique des réactions nucléaires « Rien ne se perd, rien ne se crée » • 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.

13. 147 147 N* N** a 12 105 136 42 11 B + He C + H b 137 10 N + n Énergie (MeV) 147 N 6 c Coordonnées de réactions nucléaires a= 1 MeV b= 6 MeV c= 2 MeV 0

14. MeV 2,24 MeV Émission de Nombre de protons a 3,51 MeV3,79 MeV 4 6 8 10 Énergie (MeV) 11 3115 2713 3115 3014 H Al P Si P* Bilans dans les réactions nucléaires B A 3,79 MeV3,51 MeV2,24 MeV

15. 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 :

16. 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 :

17. Le CERN à Genève • http://public.web.cern.ch/Public/ Et d’autres images, explications, …

18. Quelques éléments transuraniens

19. La fission • 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 :

20. e- 238U 239Pu 238U e- La fission et formation d’un noyau de plutonium-239 fissile frappe un noyau d’uranium-238 non fissile il y a éjection de deux particules b Lorsqu’un neutron On pourrait donc considérer le plutonium comme le père du très rare isotope 235U.

21. 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 139Ba. • Il fallait donc admettre une véritable cassure du noyau, une fission.

22. Le principe de fonctionnement de la bombe A Fission de l’uranium 235 bombardé par les neutrons lents ou rapides : La distribution de ces produits est telle que 72 < M < 162.

23. La fission de l’uranium neutron 235U Énergie

24. 235U neutron énergie La fission de l’uranium et la fission en chaîne

25. 10 10-1 10-3 10-5 60 100 140 180 Fréquence de fission de 235U Fréquence (%) M

26. Nombre barns 0,4 103 Neutrons thermiques 0,2 100 10 0 2 4 0,01 0,1 1 Énergie (MeV) Énergie (MeV) 0,72 Distribution d’énergie et section efficace des neutrons émis par 235U 235U

27. 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.

28. Des exemples de centrales

29. Barres de contrôle Barreaux d ’uranium Fluide caloporteur Ralentisseur de neutrons Le principe de construction d ’une centrale nucléaire • Sans oublier les réflecteurs de neutrons sur le pourtour extérieur et la cuve en béton.

30. Installations nucléaires

31. 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.

32. 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.

33. Réacteurs nucléaires naturel d ’Oklo Les réacteurs d’Oklo http://www.curtin.edu.au/curtin/centre/waisrd/OKLO/

34. Les déchets nucléaires à Oklo Partiellement et localement redistribués stabilisés mobiles

35. 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.

36. 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.

37. Le cycle de BETHE

38. Principales réactions de la chaîne proton-proton. Chaîne proton - proton

39. Cycle CNO Cycle proton - proton Échelle relative Soleil T (106 K) Vitesse de production d’énergie par les cycles P-P et CNO en fonction de la température. Importance relative des cycles P-P et CNO

40. 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 fission qui font fonctionner le soleil et les étoiles.