Table des matières Introduction 11 1 Quelques points de repère historiques................... 12 2 Etendue de la physique nucléaire..................... 13 3 Découverte de la radioactivité....................... 15 1 Conceptsdebasedelaphysiquenucléaire 29 1 Les noyaux atomiques........................... 29 1.1 Généralités............................. 29 1.2 Rayons nucléaires.......................... 32 1.3 Energies de liaison......................... 33 2 Réactions nucléaires, lois de conservation................ 37 2.1 Lois de conservation........................ 37 2.2 Conservation de l énergie et de l impulsion totale......... 39 2.3 Conservation du moment cinétique................. 40 2.4 Nombres quantiques additifs et groupe U(1)........... 40 2.5 Symétries du Hamiltonien..................... 42 2.6 Bilan énergétique.......................... 42 3 Etats excités des noyaux......................... 44 4 Forces nucléaires.............................. 45 4.1 Aspects qualitatifs......................... 46 4.2 Le potentiel de Yukawa et ses généralisations.......... 47 4.3 Origine du potentiel de Yukawa.................. 48 5 Indépendance de charge : l Isospin.................... 50 5.1 L indépendance de charge des forces nucléaires......... 50 5.2 L Isospin.............................. 50 5.3 Origine de la symétrie d isospin ; différence de masse neutronproton................................ 55 6 Noyaux déformés.............................. 57 7 Bibliographie................................ 59 2 Modèles nucléaires, stabilité des noyaux 61 1 Modèle du potentiel nucléaire moyen................... 61 3
4 Table des matières 2 La formule de masse semi-empirique................... 67 2.1 La goutte liquide de Bohr..................... 67 2.2 La formule de masse de Bethe-Weizsäcker............ 67 3 Modèle du gaz de Fermi.......................... 71 3.1 Energie de volume et énergie de surface............. 71 3.2 Energie d asymétrie........................ 73 4 Structure en couches des noyaux : nombres magiques.......... 74 4.1 Nombres magiques......................... 74 4.2 Couplage spin-orbite et modèle en couches............ 78 4.3 Quelques conséquences de la structure en couches des noyaux. 80 5 Radioactivité bêta............................. 83 6 Répulsion coulombienne et radioactivité α................ 85 6.1 Radioactivité α........................... 86 6.2 Modèle de Gamow de l émission α................ 87 7 Vallée de stabilité et désintégrations................... 90 8 Bibliographie................................ 91 3 Exploration de la matière nucléaire 93 1 Notion de section efficace......................... 93 1.1 Définition de la section efficace.................. 93 1.2 Calcul classique........................... 95 1.3 Découverte du noyau........................ 96 1.4 Généralités sur les sections efficaces............... 97 2 Calcul quantique.............................. 98 2.1 Probabilités de transition..................... 99 2.2 Fonctions tendant vers la distribution de Dirac......... 99 2.3 Etats asymptotiques ; normalisation des états.......... 100 2.4 Passage à la limite du continu : section efficace de diffusion.. 101 3 Forme des sections efficaces........................ 104 3.1 Forme générale........................... 104 3.2 Diffusion de deux particules dans l approximation de Born... 105 4 Exploration des systèmes composés.................... 108 4.1 Diffusion sur un état lié, facteur de forme............ 108 4.2 Diffusion sur une distribution de charges............. 110 4.3 Distribution de charge dans les noyaux.............. 112 4.4 Structure interne électrique et magnétique du proton et du neutron................................. 114 4.5 Dissociation de l état lié...................... 115 5 Les résonances............................... 117 5.1 Section efficace résonante..................... 117 5.2 Exemples de sections efficaces résonantes............ 120 5.3 Valeurs des sections efficaces résonantes............. 120 6 Bibliographie................................ 121
Table des matières 5 4 Interactions électro-faibles, quarks et leptons 123 1 Désintégrations, généralités........................ 123 1.1 Largeur naturelle, taux de branchement............. 123 1.2 Calcul des taux de désintégration................. 124 1.3 Espace des phases et désintégration en deux corps....... 125 2 Désintégrations radiatives......................... 126 2.1 Durées de vie atomiques...................... 126 2.2 Coefficients d Einstein....................... 127 2.3 Radioactivité γ des noyaux.................... 129 3 Désintégrations faibles; constante de Fermi............... 131 3.1 Désintégration du neutron..................... 131 3.2 Radioactivité bêta des noyaux.................. 134 3.3 Désintégration du muon...................... 135 4 Familles de quarks et de leptons...................... 138 4.1 Universalité des interactions faibles des leptons......... 138 4.2 Les quarks............................. 139 4.3 Quasi-universalité des interactions faibles des quarks...... 142 4.4 L angle de Cabibbo......................... 144 4.5 Matrice de Cabibbo, Kobayashi et Maskawa........... 145 4.6 Unification Electro-Faible..................... 146 4.7 Largeur du Z 0 et nombre de neutrinos.............. 150 4.8 Conclusion............................. 152 5 Bibliographie................................ 152 5 Radioactivité, applications 155 1 Généralités................................. 155 2 Effets des rayonnements ionisants..................... 157 2.1 Perte d énergie d une particule ionisée passant dans la matière 157 2.2 Pouvoir de ralentissement..................... 162 2.3 Electrons.............................. 164 2.4 Photons............................... 165 3 Comment doser la radioactivité?..................... 165 4 Applications de la radioactivité dans le domaine civil.......... 167 4.1 Domaine agro-alimentaire..................... 167 4.2 Domaine industriel......................... 168 4.3 Conservation du patrimoine artistique et culturel........ 169 4.4 La datation............................. 169 4.5 Etudes relatives à l évolution du climat et de l environnement. 171 4.6 Etudes relatives à la sismologie et aux risques naturels..... 171 5 Effets biologiques des rayonnements ionisants.............. 171 5.1 Action des rayonnements ionisants sur la matière vivante... 172 5.2 Introduction aux effets carcinogènes des radiations....... 176 5.3 Les faibles doses.......................... 179
6 Table des matières 6 Bibliographie................................ 183 6.1 Radioactivité............................ 183 6.2 Effets biologiques des rayonnements ionisants.......... 184 6 La fission 185 1 Energie nucléaire.............................. 185 2 Energie de fission.............................. 186 3 Produits de fission............................. 186 4 Mécanisme de la fission, barrière de fission................ 189 5 Matériaux fissiles et matériaux fertiles.................. 192 6 Réactions en chaîne, principe des réacteurs............... 193 7 Modérateur, ralentissement des neutrons................. 196 8 Transport des neutrons dans la matière................. 198 8.1 Equation de transport....................... 198 8.2 Le modèle de Lorentz....................... 200 8.3 Divergence, masse critique..................... 204 9 Bibliographie................................ 206 7 Production d énergie électro-nucléaire 207 1 Les réacteurs nucléaires.......................... 207 2 Les réacteurs thermiques.......................... 208 3 Les réacteurs du futur........................... 214 3.1 European Pressurized Reactors.................. 214 3.2 La filière des réacteurs à neutrons rapides............ 216 4 Réacteurs couplés à un accélérateur.................... 219 4.1 La cible de spallation....................... 220 4.2 L ensemble sous-critique...................... 222 4.3 L accélérateur de haute intensité................. 223 4.4 Un projet de réacteur hybride : le projet Rubbia........ 224 5 Le cycle du combustible nucléaire..................... 225 5.1 L extraction du minerai...................... 225 5.2 La concentration.......................... 225 5.3 La fluoration............................ 226 5.4 L enrichissement.......................... 227 5.5 La fabrication des assemblages.................. 228 5.6 Le combustible après utilisation.................. 228 5.7 Déchargement, désactivation et transport du combustible... 228 5.8 Le retraitement........................... 229 5.9 Le stockage des produits de fission................ 229 5.10 Le projet INCA........................... 231 6 Bibliographie................................ 231 8 La fusion 233 1 Réactions de fusion............................. 233
Table des matières 7 1.1 Barrière coulombienne, énergie «thermonucléaire»...... 235 1.2 Taux de réaction dans un milieu................. 237 1.3 Chauffage et confinement du plasma............... 238 1.4 Une condition nécessaire : le critèredelawson... 239 2 La fusion par confinement magnétique.................. 241 3 Confinement Inertiel par Laser...................... 244 3.1 Historique.............................. 246 4 Bibliographie................................ 248 9 Eléments d astrophysique nucléaire. 249 1 Modèles cosmologiques........................... 249 1.1 Le Big bang............................. 249 1.2 La masse cachée de l univers................... 251 1.3 Un Univers plat?.......................... 252 1.4 Nucléosynthèse primordiale et matière baryonique....... 253 2 La physique du Soleil........................... 255 2.1 Structure du Soleil........................ 256 2.2 Naissance du Soleil........................ 257 2.3 La régulation thermique miraculeuse d un système autogravitant 257 2.4 Réactions nucléaires........................ 258 3 Astrophysique nucléaire.......................... 259 3.1 Classification des étoiles...................... 260 3.2 La fin de la combustion actuelle du Soleil ; Naines blanches.. 261 3.3 Processus explosifs......................... 262 3.4 Taille d équilibre d une naine blanche.............. 265 3.5 Etoiles à neutrons......................... 267 4 Nucléosynthèse............................... 269 5 Bibliographie................................ 271 Dossier : Données sur l énergie 273 1 Quelques caractéristiques de l énergie................... 273 1.1 Ordres de grandeur......................... 273 1.2 Dégradation............................. 274 1.3 Stockage............................... 274 1.4 Transport de l énergie....................... 275 1.5 Réserves............................... 275 1.6 Nuisances.............................. 276 2 Consommation d énergie.......................... 276 2.1 Unités................................ 276 2.2 Ordres de grandeur......................... 277 3 Les besoins en énergie........................... 278 4 Notions sur l effet de serre......................... 280 4.1 La Terre : un système radiatif................... 280
8 Table des matières 4.2 Manifestation de l effet de serre.................. 281 4.3 Modélisation naïve de l effet de serre............... 282 4.4 Discussion.............................. 283 5 Les ressources en énergie.......................... 284 6 Bibliographie................................ 286 Dossier : Des faibles doses aux grandes exagérations 287 1 Effets biologiques des rayonnements ionisants et problématique des faibles doses................................. 288 1.1 Quelques rappels sur les unités utilisées............. 288 1.2 Historique des normes de la CIPR................ 289 1.3 Effets des rayonnements ionisants................. 290 1.4 Effets des faibles doses....................... 291 2 Y a-t-il un risque si l on mange des champignons radioactifs?..... 292 2.1 Les champignons, des aspirateurs à radioéléments........ 292 2.2 Une sensibilité différente à la radioactivité............ 293 3 Risques biologiques liés à l utilisation d uranium appauvri....... 294 3.1 Présentation............................ 294 3.2 La vision de la presse....................... 295 3.3 Etude de la toxicité radiologique................. 296 3.4 Etude de la toxicité chimique.................... 298 4 Une opinion sur Tchernobyl?....................... 300 4.1 La désinformation initiale...................... 300 4.2 Des ressemblances et des dissemblances troublantes....... 301 4.3 Estimation de doses pour un Français............... 303 5 Bibliographie................................ 304 6 Annexes................................... 306 6.1 Article du Figaro.......................... 306 6.2 Etude sur les champignons radioactifs.............. 306 6.3 Articles du monde diplomatique................. 308 Dossier : La prolifération nucléaire 319 1 Fonctionnement et fabrication d une arme nucléaire........... 319 1.1 Les différents types d armes.................... 319 1.2 Moyens nécessaire à leur réalisation............... 322 2 Les moyens de la prolifération matières fissiles............. 324 2.1 Obtention des matières fissiles................... 324 2.2 Les matières fissiles disponibles.................. 326 2.3 Non prolifération et pays du seuil................. 327 3 Le recyclage des armes démantelées.................... 329 3.1 L Uranium hautement enrichi................... 329 3.2 Le Plutonium............................ 329 4 Cadre juridique de la lutte contre la prolifération............ 330
Table des matières 9 4.1 Le traité de non prolifération................... 330 4.2 Les accords bilatéraux de désarmement............. 331 4.3 L agence internationale à l énergie atomique........... 331 4.4 Traités divers relatifs aux essais nucléaires et aux zones dénucléarisées.............................. 331