8/10/10. Les réactions nucléaires

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1 Les réactions nucléaires En 1900, à Montréal, Rutherford observa un effet curieux, lors de mesures de l'intensité du rayonnement d'une source de thorium [...]. L'intensité n'était pas la même selon que la porte du laboratoire demeurait ouverte ou fermée. Rutherford s'aperçut que le thorium produisait une «émanation», un gaz radioactif, qui était soufflé par le courant d'air de la porte ouverte. Il appela cette émanation thoron et montra que sa radioactivité diminuait de moitié en moins d'une minute. C'était la première observation de la décroissance exponentielle d'un radioélément. Le thoron se transforme en un isotope du polonium qui forme un «dépôt actif». Parfois, les noyaux provenant d'une source radioactive (émetteur α) ont la bonne énergie pour provoquer la transformation d'un noyau atomique stable qui est bombardé par ces particules α. C'est ainsi que les réactions nucléaires artificielles ont été découvertes par Ernest Rutherford en 1913, lorsqu'il a constaté que l'atmosphère d'azote, sous laquelle il avait stocké une substance radioactive, se convertissait au fur et à mesure en oxygène et en hydrogène. Trouvez, en électronvolts, l énergie de la réaction de la transmutation artificielle découverte par Rutherford en Masse avant: 4 He + 14 N 4, u + 14, u = 18, u Masse après: 17 O + 1 H 16, u + 1, u = 18, u Le défaut de masse = 18, u 18, u = - 0, u Soit Q = -1,19 MeV! Et voici la forme simplifiée: L énergie de la réaction Q est déterminée par la différence de masse entre l ensemble initial de particules et l ensemble final. Si Q >0, la réaction est exothermique. L énergie libérée se transforme généralement en énergie cinétique des produits et en rayons γ dus aux transitions entre les états excités de Y. Si Q <0, la réaction est endothermique. Dans ce cas, la particule incidente doit avoir une énergie supérieure à une certaine valeur appelée énergie de seuil, au-dessous de laquelle la réaction ne peut avoir lieu. Le premier désintégrateur d atomes, réalisé en 1932 par John Cockcroft et Ernest Walton, pouvait accélérer des protons jusqu à 0,6 MeV. Avec des protons de 0,125 MeV et une cible de lithium, ils observèrent la réaction: On trouve Q = 17,3 MeV (à vérifier) Remarque: Il s agit de la première vérification expérimentale directe de la relation masse-énergie. 1

2 Trouvez, en électronvolts, l énergie de la réaction de la première transmutation artificielle des noyaux par des protons accélérés réalisée en Masse avant: 1 H + 7 Li 1, u + 7, u = 8, u Masse après: 4 He + 4 He 4, u + 4, u = 8, u Le défaut de masse = 8, u 8, u= - 0, u Soit Q = +17,35 MeV! Interconnexions du dernier secteur du LHC Site Le LHC (Large Hadron Collider, «Grand Collisionneur Hadronique») est le prochain grand accélérateur de particules qui sera mis en opération en 2008 au CERN à la frontière franco-suisse. Une fois achevé, il sera le plus grand accélérateur du monde. Il est situé dans le tunnel de 27 km de circonférence de son prédécesseur, le collisionneur LEP (Large Electron Positron). À la différence de ce dernier, des protons (une variété de hadrons) seront accélérés pour produire des collisions, au lieu des électrons ou des positrons. Ces protons seront accélérés jusqu'à une énergie de 7 TeV (pour une énergie de de 14 TeV). 1 Teraélectronvolt = 1,6 x 10-7 Joules Enrico Fermi se rendit compte que les neutrons, n ayant pas de charge, pouvaient pénétrer le noyau, et induire la radioactivité naturelle. Lorsqu un noyau sphérique d uranium absorbe un neutron, il devient instable, la force nucléaire de courte portée entre les deux parties de l haltère est fortement réduite. Par contre la force électrique (de longue portée) n est que légèrement diminuée. Le noyau se sépare en deux fragments. Le modèle de la goutte liquide 2

3 Lorsqu un neutron est capturé par un noyau 235 U, il crée un noyau 236 U instable, de courte durée de vie (~ s). Ce noyau subit ensuite une fission. Neutron incident 1 0 n U U* Xe Sr n + Énergie 1 0 n U U* Sn Mo n + Énergie Calculez l énergie libérée dans la réaction de fission suivante: n U U * Ba Kr + 3n Masse avant: Masse après: Calcul du défaut de masse: Énergie libérée: La figure ci-contre montre que l énergie de liaison des noyaux légers augmente avec le numéro atomique. Lorsque deux noyaux légers se combinent pour former un noyau lourd dans un processus appelé fusion, il y a libération d énergie. L énergie solaire provient de la fusion nucléaire à l intérieur du Soleil. Travail personnel: Calculer l énergie libérée. 3

4 Un ensemble de réactions appelé chaîne proton-proton ont lieu à l intérieur du Soleil. p + p 2 H + e + + ν (Q = 0,42 MeV) Après cette étape, le deutérium produit lors de la première étape peut fusionner avec un nouveau noyau d'hydrogène pour produire un isotope de l hélium: 3 He p + 2 H + 3 He + γ (Q = 5,49 MeV) Le positron s'annihile immédiatement avec l'un des électrons d'un atome d'hydrogène et leur masse-énergie est évacuée sous forme de deux photons gamma totalisant 1,02 MeV. Finalement, après des millions d'années, deux noyaux d'hélium 3 He peuvent fusionner et produire l'isotope normal de l'hélium 4 He ainsi que deux noyaux d'hydrogène qui peuvent commencer à nouveau la réaction de trois façons différentes. Une réaction de fusion D - D libère 4,03 MeV. Le rapport de concentration du deutérium à l hydrogène est de 1/6500 dans l eau de mer. Quelle est l énergie de fusion disponible dans 1 kg d eau de mer? 3 He + 3 He 4 He + p + p (Q = 12,86 MeV) La réaction totale produit une quantité nette d'énergie de 26,7 MeV Les deux premières réactions doivent se produire deux fois pour que la troisième puisse avoir lieu. Calcul du nombre de molécules H 2 O dans 1 kg d eau de mer: Les réacteurs nucléaires Calcul du nombre de molécules de D 2 O: Calcul de l énergie libérée 4

5 Les réacteurs nucléaires 1959 Construit au coût de $18 million en Illinois. Réacteur à eau bouillante de 200 MW Opéré par Général Électrique jusqu en Lorsqu un noyau comme celui de l uranium 235 U subit une fission, il libère des neutrons qui peuvent servir à engendrer la fission d autres noyaux et ainsi à créer une réaction en chaîne. Dans une bombe atomique, la réaction en chaîne n est pas contrôlée, contrairement à ce qui se passe dans un réacteur nucléaire. Les types de réacteurs: Les réacteurs à fission; Les réacteurs à fusion À l intérieur de la cuve, on y place: des barres de combustible, ou matière fissible, qui prend la forme de barreaux. Un modérateur dont le rôle est de ralentir les neutrons. Le combustible le plus utilisé est de l uranium enrichi 235 U Les neutrons libérés au cours d une fission peuvent servir à induire des fissions dans d autres noyaux. Pour les rendre plus efficaces, on doit les ralentir au moyen de collision répétées. Les neutrons thermiques ainsi produits entraînent plus facilement la fission des noyaux d uranium. Si les conditions sont favorables, le processus de désintégration peut se répéter et donner lieu à une réaction en chaîne. Neutron incident 5

6 Si le nombre de neutrons utiles est exactement égal à l unité, on a une réaction en chaîne contrôlée et le taux de libération est constant. Si le nombre de neutrons utiles dépasse l unité, on a une réaction supercritique (bombe) Si le nombre de neutrons utiles est inférieur à l unité, on a une réaction sous-critique qui s éteint rapidement. L énergie libérée n est pas contrôlée dans le cas d une bombe atomique, mais elle l est dans le cas d un réacteur nucléaire. La première réaction de fission contrôlée fut réalisée à l Université de Chicago le 2 décembre 1942 dans un réacteur mis au point par Fermi. L uranium présent dans la nature est composé de 0,7% d uranium 235 U et de 99,3% 238 U. Lorsqu un noyau d 238 U absorbe un neutron, il a tendance à émettre un rayon γ plutôt que de subir une fission. Par contre, l uranium 235 U présente une probabilité élevée de fission pour les neutrons lents. Les neutrons de haute énergie (~ 2 MeV) produit de la fission de l uranium 235 U doivent être ralentis avant de pouvoir induire d autres fissions. Ce ralentissement est effectué dans un matériau appelé modérateur. Le modérateur dépend du combustible utilisé. Lorsque les barres de sécurité sont levées, le réacteur peut fonctionner. Barres de sécurité Pour stopper le réacteur, on apaise les barres de sécurité. 6

7 Ces réacteurs font appel à des noyaux légers qui s assemblent pour en former de plus lourds. Puisque la répulsion électrostatique doit être vaincu lors du processus de fusion, il est avantageux de le réaliser avec des noyaux à faible charge dont l hydrogène 1 H, le deutérium ( 2 H ou 2 D) ou le tritium ( 3 H ou 3 T). En liant ces noyaux pour en former de plus lourds et par le fait même de mieux liés un peu de matière se transforme en énergie. Le plasma est stabilisé par l application de champs magnétiques. Le champ résultant, de forme hélicoïdale, empêche la dérive des particules sur les parois du tore. Pour augmenter la rentabilité énergétique du réacteur Tokamak, on doit obtenir de plus hautes températures de chauffage du plasma. Les réactions nucléaires Projet Manhattan est le nom de code du projet de recherche mené pendant la Seconde Guerre mondiale, qui permit aux États-Unis, assistés par le Royaume-Uni et le Canada, de réaliser la première bombe atomique de l'histoire en Le but d'une bombe atomique est de déclencher une réaction en chaîne. Pour cela, il faut avoir une quantité suffisante de matière fissile, c'est la masse critique. La masse critique est d'environ 52 kilogrammes pour l'uranium 235 et de 10 kilogrammes pour le plutonium 239. Une fois cette masse atteinte, la réaction en chaîne est déclenchée. Dans les bombes atomiques, la quantité de matière fissile doit même être supérieure à la masse critique, de l'ordre de trois fois en général. On parle alors de masse sur-critique. Pour éviter que la réaction se déclenche n'importe quand, on sépare la matière fissile en deux. De cette manière la masse critique n'est pas atteinte et il n'y a donc aucun risque qu'une fission nucléaire s'amorce sans qu'on le désire. En 1952 explosa la première bombe à hydrogène. Il s agit d un dispositif utilisant la grande quantité d énergie libérée dans la fusion et faisant intervenir une réaction de fusion thermonucléaire non contrôlée. 7

8 Aucun exemple Aucune question Faire les exercices 41, 45, 51 et 59. 8

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