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Quels sont les aspects positifs des réactions nucléaires ? [pic] Année 2004-2005 Lycée Vaugelas Sommaire :
Introduction I) Description 1) Fusion
2) Fission
3) Radioactivité II) L'énergie de ces réactions 1) Centrale nucléaire classique
2) Centrale à Fusion III) Domaine de la santé 1) Scintigraphie
2) Radiothérapie IV) Autres applications 1-Stérilisation
2- Datation Conclusion
Bibliographie Introduction Dès la première explosion nucléaire en 1945 dans le nouveau Mexique,
les hommes ont pris conscience des phénomènes destructeurs que pouvaient
amener l'énergie nucléaire. Après la mort de 200 000 civils au Japon en 45,
le monde a découvert avec Horreur, le potentiel meurtrier de l'arme
nucléaire. Durant la guerre froide, le monde entier a retenu son souffle
lorsque celle-ci se réchauffait et quand le monde était au bord de la
destruction mutuelle nucléaire. Enfin avec Tchernobyl, il est apparu que
même le nucléaire civil pouvait être dangereux pour l'homme, laissant un
continent entier atteint par les radiations, et une région d'Ukraine
dévastée avec des dizaines de milliers de morts. C'est pourquoi, il est
peu de choses qui sont aujourd'hui autant critiquées que le nucléaire.
De tels préjugés sont le résultat d'un manque d'information, c'est pourquoi
nous avons choisi de démontrer que les réactions nucléaires ne sont pas
que, loin de là, un phénomène nocif. Et qu'ils présentent énormément
d'applications utiles pour l'homme, et que sans cette énergie, l'humanité
n'aurait jamais atteint un tel niveau de développement. Pour ce faire nous
commencerons par présenter brièvement les principes physiques qui
gouvernent ces réactions nucléaires. Nous montrerons ensuite quels sont
leurs intérêts énergétiques pour l'homme. Nous parlerons enfin de leurs
applications dans le domaine médical, et pour finir nous montrerons divers
effets bénéfiques et généraux de ces réactions.
I) Description
1) Fusion (Rappels sur l'atome) La fusion nucléaire est une réaction nucléaire entre noyaux légers (à
gauche dans la courbe d'Aston).
[pic] Cette réaction obéit bien entendu aux lois de conservation du nombre de
masse total et du nombre de charge total de Soddy. On distingue deux types de réactions de fusion bénéfiques.
a) La fusion stellaire Les réactions de fusion stellaires sont celles qui existent dans les
étoiles, qui leur permettent de ne pas s'effondrer sous le propre poids et
de briller. Selon la masse et l'âge de l'étoile, ces réactions diffèrent.
Les deux principales sont le cycle proton proton et le cycle CNO. [pic] Cycle Proton Proton : 1H + 1H > 2H + e+ + ?e + 0.42 MeV
Le positron créé s'annihile avec un électron du plasma stellaire.
e+ + e- > 2? + 1.02 MeV
Après ceci, le deutérium produit lors de la première étape fusionne avec un
noyau d'hydrogène pour donner de l'hélium 3.
2H + 1H > 3He + ? + 5.49 MeV
Ensuite deux noyaux d'hélium 3 fusionnent pour donner de l'hélium 4,
l'isotope normal.
3He +3He > 4He + 1H + 1H + 12.86 MeV Cycle CNO : |12C + 1H |>|13N + ? |
|13N |>|13C + e+ + ?e |
|13C + 1H |>|14N + ? |
|14N + 1H |>|15O + ? |
|15O |>|15N + e+ + ?e |
|15N + 1H |>|12C + 4He |
Ce cycle suppose un niveau de nucléosynthèse avancé, et ne se produit donc
pas immédiatement.
Ces cycles ne sont certes pas les seuls à exister, mais ce sont néanmoins
les principaux.
Au fil des cycles de fusion différents noyaux se créent, de plus en plus
complexes par rapport à l'hydrogène originel. C'est ce qu'on appelle la
nucléosynthèse stellaire. Sans cette cette dernière, aucune chimie ne
serait plus possible, donc aucune vie. La nucléosynthèse des éléments
lourds (plus lourds que le fer, qui représente la limite en matière de
fusion) ne peut se faire que dans des supernova, la présence des tels
éléments sur Terre est donc la preuve de l'existence d'une supernova avant
le soleil. [pic]
b) La fusion artificielle. Pour l'homme, un processus de fusion tel que celui qui existe dans les
étoiles est irréalisable. En effet la phase de fusion de deutérium se fait
grâce à la radioactivité beta +, et ce processus est trop long pour être
exploitable. C'est pourquoi on se base sur une autre réaction de fusion,
qui a l'avantage de ne se produire qu'en une seule étape : 2H + 3H > 4He +
n. On développera plus tard les principes de la fusion artificielle,
lorsqu'on évoquera le thème des centrales.
2) Fission nucléaire
La fission nucléaire, est la division d'un noyau atomique lourd (l'uranium
235 est utilisé par exemple dans les centrales nucléaires, mais plus
généralement ont qualifie de noyaux lourd tout les noyaux plus lourd que le
fer), généralement en deux (ou plus rarement en trois) fragments plus
légers, avec libération d'énergie très importante. La première réaction de
fission découverte est celle de l'uranium, par Otto Hahn et Fritz Strassman
en 1938. C'est en 1945 au Nouveau Mexique qu'a ensuite explosé la première
bombe nucléaire utilisant la fission nucléaire. La première centrale a été
mise en service en 1956 dans l'Idaho. [pic] La fission d'un noyau lourd, tel que l'uranium-235 (235U) est réalisée sous
l'action d'un neutron lent, qui est absorbé par le noyau pour former un
« noyau composé » instable (236U). L'absorption du neutron lent par le
noyau lourd peut rompre l'équilibre des forces nucléaires et aboutir à la
réaction de fission. [pic]
Les neutrons émis lors de la fission présentent un grand intérêt, car ils
peuvent à leur tour, après ralentissement, provoquer la fission d'autres
noyaux d'uranium. C'est le phénomène de réaction en chaîne. Lors de la
fission des noyaux lourds les particules émises sont toujours des neutrons,
car ceux-ci y sont en excès par rapport aux protons avec lesquels ils
composent l'ensemble des noyaux. Dans les noyaux légers, les protons et les
neutrons sont présents en nombres égaux, mais plus les noyaux sont lourds
plus ils possèdent de neutrons excédentaires. Les deux noyaux créés par la
fission sont relativement stables et les neutrons supplémentaires se
retrouvent alors libres.
[pic] L'essentiel de l'énergie libérée par la fission (environ 200 MeV, dans le
cas de 235U) l'est sous forme d'énergie cinétique des deux fragments. Cette
énergie résulte de la différence entre l'énergie de liaison des nucléons
(protons et neutrons) dans le noyau d'uranium et celle des nucléons dans
les noyaux formés par la fission. L'énergie de liaison provient directement
du « défaut de masse » du noyau et s'exprime par la célèbre formule
E = ?m c2, où ?m est le défaut de masse et c la vitesse de la lumière. [pic]
3) Radioactivité
a) Des noyaux instables : Certains noyaux sont cependant toujours instables. Cela signifie que des
réactions ont toujours lieu en leur sein afin de les faire évoluer vers la
stabilité, à savoir l'équilibre entre les forces nucléaires. Les deux
principales causes d'instabilité sont un trop grand nombre de nucléons, ou
un déséquilibre entre les nombres de protons et de neutrons. Ces réactions
aussi appelées désintégrations, sont à l'origine de la radioactivité.
On distingue deux grand type de désintégrations, appelées ? et ?, deux type
d'émissions énergétiques, les ? et les X, et une particule libre le
neutron.
b) La radioactivité ? : Il s'avère que l'un des moyens utilisés par les atomes pour évoluer vers la
stabilité consiste à diminuer de volume. En effet, plus un noyau est
volumineux, plus il est instable. [pic] Exemple de la désintégration historique du radium-226 : Ce gros noyau de
226 nucléons, dont 88 protons et 138 neutrons, émet une particule alpha
composée de deux protons et de deux neutrons. Il se transforme alors en
noyau de radon-222, lui-même radioactif.
c) La radioactivité ? : Elle est le fruit de la force faible, qui permet la transformation, d'un
neutron en proton et vice-versa. Dans le premier cas la transformation
s'accompagne de l'émission d'un électron ainsi que d'un antineutrino
(particule neutre et indétectable qui accompagne l'électron), c'est la
radioactivité ?-. [pic] Exemple d'une désintégration bêta moins : Un noyau de Cobalt-60, qui
contient 33 neutrons et 27 protons, présente un excès de 6 neutrons. Pour
se débarrasser de cet excès, un neutron se transforme en proton. Le noyau
est devenue un noyau stable de Nickel-60 avec 28 protons et 32 neutrons.
Mais toujours 60 nucléons.
d) La radioactivité ? : Ce type de radioactivité peut s'observer lorsque le noyau est dans un état
excité. Cela peut s'observer en particulier dans trois circonstances bien
précises :
-Après l'émission d'un rayon alpha ;
-Après l'émission d'un rayon bêta ;
-Après la capture d'un neutron par un noyau.
[pic] Exemple de radioactivité gamma .
e) Les rayons X : Les rayons proviennent d'un choc entre un électron de la couche primaire et
un autre électron. L'électron de la couche est éjecté et remplacé par un
électron de la couche supérieure. On obtient par le déplacement de
l'électron de la couche supérieure une émission d'un