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hn 2014-12-29 Guy COLLIN, Radioactivit é artificielle Physique nucléaire Chapitre 16

Radioactivité artificielle

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Radioactivité artificielle. Physique nucléaire Chapitre 16. 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 ? - PowerPoint PPT Presentation

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2014-12-29Guy COLLIN,

Radioactivité artificielle

Physique nucléaireChapitre 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 :

178N + He ( F ) H + O

11

147

42

189

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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 :

94 Be +

42 He

13 6 C

12 6 C +

10 n

94 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 :

2713 Al +

42 He

3115 P

3015 P* +

10 n

3015 P*

3014 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

2713 Al (n , a)

2411 Na ( 14,8 heures )

2713 Al (n , p)

2712 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)

73 Li

Cette réaction est mise à profit dans les centrales nucléaires pour absorber les

neutrons en cas d’emballement du réacteur.

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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 '21

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 = 0DE1E1

= 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 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.

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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

136

11

126

105

2142

147( N )*

10

147

137

H + C

He + B

n + N

g + N

42

11

13610

5

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Coordonnées de réactions nucléaires

147

N

147

N**

137N + n1

013

6C + H1

1

105

B + He42 14

7N*

a

bc

a = 1 MeV

b = 6 MeV

c = 2 MeV0

Éner

gie

(MeV

)

6

12

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Bilans dans les réactions nucléaires

3014

Si3115

P

2713

Al

3115

P*

a

3,79 MeV3,51 MeV2,24 MeV

Nom

bre

de p

roto

ns

Énergie (MeV)4 6 8 10

2,24 MeV

3,51 MeV3,79 MeV

MeV

11

HÉmission 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 :

73 Li +

11 H

42 He +

42 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 :

5424 Cr +

203 82 Pb

255106 Sg + 2

10 n, (T (X) milliseconde)

18 8 O +

249 98 Cf

263106 Sg + 4

10 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) 261104 Rf

249Bk (18O, 5n) 262105 Db

248Cm (22Ne, 5n) 265106 Sg

249Bk (22Ne, 4n) 267107 Bh

238U (36S, 4n) 270108 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

42 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 139Ba.

Il fallait donc admettre une véritable cassure du noyau, une fission.

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Le principe de fonctionnement de la bombe A

10 n +

235 92 U

143 56 Ba +

8336 Kr + 10

10 n

10 n +

235 92 U

139 53 I +

9539 Y + 2

10 n

10 n +

235 92 U

136 54 Xe +

8838 Sr + 12

10 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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La fi

ssio

n de

l’ur

aniu

m

et la

fiss

ion

en c

haîn

eénergie

neutron235U

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Fréquence de fission de 235UFréquence (%)

M

60 100 140 18010-5

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 10,01

Nombre

0

0,2

0,4

Énergie (MeV)2 40,72

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 Fluidecaloporteur Nationalité

U naturel graphite CO2 France

U naturel eau lourde eau lourde souspression Canada

U enrichi eau naturelle en ébullition États-Unis

U enrichi eau sous pression URSS

U enrichi ouplutonium 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 de neutrons

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

http://www.curtin.edu.au/curtin/centre/waisrd/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.

21 H +

31 H

42 He +

10 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

Éche

lle re

lativ

e

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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.