La physique nucléaire

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La physique nucléaire. Les réactions nucléaires. La première transmutation induite artificiellement. - PowerPoint PPT Presentation

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  • Les ractions nuclaires

  • En 1900, Montral, Rutherford observa un effet curieux, lors de mesures de l'intensit du rayonnement d'une source de thorium [...]. L'intensit n'tait pas la mme selon que la porte du laboratoire demeurait ouverte ou ferme. Rutherford s'aperut que le thorium produisait une manation, un gaz radioactif, qui tait souffl par le courant d'air de la porte ouverte. Il appela cette manation thoron et montra que sa radioactivit diminuait de moiti en moins d'une minute. C'tait la premire observation de la dcroissance exponentielle d'un radiolment. Le thoron se transforme en un isotope du polonium qui forme un dpt actif.

  • Parfois, les noyaux provenant d'une source radioactive (metteur a) ont la bonne nergie pour provoquer la transformation d'un noyau atomique stable qui est bombard par ces particules a. C'est ainsi que les ractions nuclaires artificielles ont t dcouvertes par Ernest Rutherford en 1913, lorsqu'il a constat que l'atmosphre d'azote, sous laquelle il avait stock une substance radioactive, se convertissait au fur et mesure en oxygne et en hydrogne.

  • Trouvez, en lectronvolts, lnergie de la raction de la transmutation artificielle dcouverte par Rutherford en 1913.Masse avant: 4He + 14N 4,002 603 u + 14,003 074 u = 18,005 677 u

    Masse aprs: 17O + 1H 16,999 131 u + 1,007 825 u = 18,006 956 uLe dfaut de masse = 18,005 677 u 18,006 956 u = - 0,001 279 uSoit Q = -1,19 MeV !

  • Et voici la forme simplifie:Lnergie de la raction Q est dtermine par la diffrence de masse entre lensemble initial de particules et lensemble final.Si Q >0, la raction est exothermique. Lnergie libre se transforme gnralement en nergie cintique des produits et en rayons g dus aux transitions entre les tats excits de Y.Si Q
  • Le premier dsintgrateur datomes, ralis en 1932 par John Cockcroft et Ernest Walton, pouvait acclrer des protons jusqu 0,6 MeV. Avec des protons de 0,125 MeV et une cible de lithium, ils observrent la raction:On trouve Q = 17,3 MeV ( vrifier)Remarque: Il sagit de la premire vrification exprimentale directe de la relation masse-nergie.

  • Trouvez, en lectronvolts, lnergie de la raction de la premire transmutation artificielle des noyaux par des protons acclrs ralise en 1932.Masse avant: 1H + 7Li 1,007 825 u + 7,016 003 u = 8,023 828 u

    Masse aprs: 4He + 4He 4,002 603 u + 4,002 603 u = 8,005 206 uLe dfaut de masse = 8,023 828 u 8,005 206 u= - 0,001 279 uSoit Q = +17,35 MeV !

  • Interconnexions du dernier secteur du LHCSiteLe LHC (Large Hadron Collider, Grand Collisionneur Hadronique) est le prochain grand acclrateur de particules qui sera mis en opration en 2008 au CERN la frontire franco-suisse. Une fois achev, il sera le plus grand acclrateur du monde. Il est situ dans le tunnel de 27 km de circonfrence de son prdcesseur, le collisionneur LEP (Large Electron Positron). la diffrence de ce dernier, des protons (une varit de hadrons) seront acclrs pour produire des collisions, au lieu des lectrons ou des positrons. Ces protons seront acclrs jusqu' une nergie de 7 TeV (pour une nergie de de 14 TeV).1 Teralectronvolt = 1,6 x 10-7 Joules

  • libration dnergie par:Division dun seul gros noyau en deux fragments petits la fission nuclaire

    Fusion de deux petits noyaux en un seul noyau de nombre de masse plus grand la fusion nuclaire

  • Enrico Fermi se rendit compte que les neutrons, nayant pas de charge, pouvaient pntrer le noyau, et induire la radioactivit naturelle.

  • Lorsquun noyau sphrique duranium absorbe un neutron, il devient instable, la force nuclaire de courte porte entre les deux parties de lhaltre est fortement rduite. Par contre la force lectrique (de longue porte) nest que lgrement diminue. Le noyau se spare en deux fragments.Le modle de la goutte liquide

  • Lorsquun neutron est captur par un noyau 235U, il cre un noyau 236U instable, de courte dure de vie (~ 10-14 s). Ce noyau subit ensuite une fission.Neutron incident

  • 10n + 23592U 23692U* 14054Xe + 9438Sr + 2 10n + nergie

    10n + 23592U 23692U* 13250Sn + 10142Mo + 3 10n + nergie

  • Calculez lnergie libre dans la raction de fission suivante:

    Masse avant:

    Masse aprs:

  • Calcul du dfaut de masse:

    nergie libre:

  • La figure ci-contre montre que lnergie de liaison des noyaux lgers augmente avec le numro atomique. Lorsque deux noyaux lgers se combinent pour former un noyau lourd dans un processus appel fusion, il y a libration dnergie.

  • Lnergie solaire provient de la fusion nuclaire lintrieur du Soleil.Travail personnel: Calculer lnergie libre.

  • Un ensemble de ractions appel chane proton-proton ont lieu lintrieur du Soleil.

    Le positron s'annihile immdiatement avec l'un des lectrons d'un atome d'hydrogne et leur masse-nergie est vacues sous forme de deux photons gamma totalisant 1,02 MeV.

  • Aprs cette tape, le deutrium produit lors de la premire tape peut fusionner avec un nouveau noyau d'hydrogne pour produire un isotope de lhlium:3He

  • Finalement, aprs des millions d'annes, deux noyaux d'hlium 3He peuvent fusionner et produire l'isotope normal de l'hlium 4He ainsi que deux noyaux d'hydrogne qui peuvent commencer nouveau la raction de trois faons diffrentes.Les deux premires ractions doivent se produire deux fois pour que la troisime puisse avoir lieu.La raction totale produit une quantit nette d'nergie de 26,7 MeV

  • Une raction de fusion D - D libre 4,03 MeV. Le rapport de concentration du deutrium lhydrogne est de 1/6500 dans leau de mer. Quelle est lnergie de fusion disponible dans 1 kg deau de mer?

  • Calcul du nombre de molcules H2O dans 1 kg deau de mer:

    Calcul du nombre de molcules de D2O:

    Calcul de lnergie libre

  • Les racteurs nuclaires

  • Les racteurs nuclaires1959 Construit au cot de $18 million en Illinois.Racteur eau bouillante de 200 MWOpr par Gnral lectrique jusquen 1979.

  • Lorsquun noyau comme celui de luranium 235U subit une fission, il libre des neutrons qui peuvent servir engendrer la fission dautres noyaux et ainsi crer une raction en chane. Dans une bombe atomique, la raction en chane nest pas contrle, contrairement ce qui se passe dans un racteur nuclaire.

  • Les types de racteurs: Les racteurs fission; Les racteurs fusion

  • lintrieur de la cuve, on y place: des barres de combustible, ou matire fissible, qui prend la forme de barreaux.Un modrateur dont le rle est de ralentir les neutrons.Le combustible le plus utilis est de luranium enrichi 235U

  • Les neutrons librs au cours dune fission peuvent servir induire des fissions dans dautres noyaux. Pour les rendre plus efficaces, on doit les ralentir au moyen de collision rptes. Les neutrons thermiques ainsi produits entranent plus facilement la fission des noyaux duranium. Si les conditions sont favorables, le processus de dsintgration peut se rpter et donner lieu une raction en chane.

  • Si le nombre de neutrons utiles est exactement gal lunit, on a une raction en chane contrle et le taux de libration est constant.Si le nombre de neutrons utiles dpasse lunit, on a une raction supercritique (bombe)Si le nombre de neutrons utiles est infrieur lunit, on a une raction sous-critique qui steint rapidement.

  • Lnergie libre nest pas contrle dans le cas dune bombe atomique, mais elle lest dans le cas dun racteur nuclaire.La premire raction de fission contrle fut ralise lUniversit de Chicago le 2 dcembre 1942 dans un racteur mis au point par Fermi.

  • Luranium prsent dans la nature est compos de 0,7% duranium 235U et de 99,3% 238U. Lorsquun noyau d 238U absorbe un neutron, il a tendance mettre un rayon g plutt que de subir une fission. Par contre, luranium 235U prsente une probabilit leve de fission pour les neutrons lents. Les neutrons de haute nergie (~ 2 MeV) produit de la fission de luranium 235U doivent tre ralentis avant de pouvoir induire dautres fissions. Ce ralentissement est effectu dans un matriau appel modrateur.Le modrateur dpend du combustible utilis.

  • Si le combustible est de luranium naturel, on peut prendre comme modrateur: de leau lourde: D2O; Produire leau lourde pure par distillation ou lectrolyse exige de grandes quantits dlectricit, cest pourquoi les mthodes chimiques sont gnralement prfres. Type de racteur: racteur eau pressurise: CANDU (Canada) ou du graphique; Le plus disponible des modrateurs; Produit driv du carbone; Plus lourd que le deutrium (mais moins efficace) Racteur eau bouillante, modr au graphite

  • Barres de scuritLorsque les barres de scurit sont leves, leracteur peut fonctionner.Pour stopper le racteur,on apaise les barres descurit.

  • Si le combustible est de luranium naturel, on peut prendre comme modrateur: leau lgre: 4/5 des racteurs daujourdhui fonctionnent avec leau lgre; Ncessite de luranium enrichi 235U (jusqu 20%) Racteur eau bouillante et pressuriseou du graphique; Le plus disponible des modrateurs; Produit driv du carbone; Plus lourd que le deutrium (mais moins efficace) Racteur eau bouillante, modr au graphite

  • Ces racteurs font appel des noyaux lgers qui sassemblent pour en former de plus lourds. Puisque la rpulsion lectrostatique doit tre vaincu lors du processus de fusion, il est avantageux de le raliser avec des noyaux faible charge dont lhydrogne 1H, le deutrium (2H ou 2D) ou le tritium (3H ou 3T). En liant ces noyaux pour en former de plus lourds et par le fait mme de mieux lis un peu de matire se transforme en nergie.

  • Le plasma est stabilis par lapplication de champs magntiques.Le champ rsultant, de forme hlicodale, empche la drive des parti