Les transformations nucléaires

Pour comprendre les transformations nucléaires, il est essentiel de se rappeler la structure de l'atome.

Un atome est constitué de deux parties principales :

• Le noyau atomique : C'est le cœur de l'atome, extrêmement dense et chargé positivement. Il est composé de particules appelées nucléons.
  • Les protons ($p^+$) : Particules chargées positivement. Leur nombre détermine l'identité chimique de l'atome.
  • Les neutrons ($n^0$) : Particules électriquement neutres.
• Les électrons ($e^-$) : Particules chargées négativement qui gravitent autour du noyau.

La composition d'un noyau est caractérisée par deux nombres :

• Le numéro atomique (ou nombre de charge) $Z$ : Il représente le nombre de protons dans le noyau. Il définit l'élément chimique. Par exemple, tout atome ayant $Z=6$ est un atome de carbone.
• Le nombre de masse $A$ : Il représente le nombre total de nucléons (protons + neutrons) dans le noyau. $A = Z + N$, où $N$ est le nombre de neutrons.

Un noyau est souvent représenté par la notation suivante : $_Z^A X$, où $X$ est le symbole de l'élément chimique. Par exemple, le carbone 12 est représenté par $_6^{12} C$, ce qui signifie qu'il a 6 protons et $12-6=6$ neutrons. Le carbone 14, lui, est $_6^{14} C$, avec 6 protons et $14-6=8$ neutrons. Des atomes d'un même élément ayant des nombres de neutrons différents sont appelés isotopes.

Il est crucial de bien différencier une transformation chimique d'une transformation nucléaire.

• Transformation chimique :

  • Elle implique uniquement un réarrangement des électrons de la périphérie des atomes.
  • Les noyaux des atomes restent inchangés (leur composition en protons et neutrons ne varie pas).
  • L'identité des éléments chimiques est conservée.
  • Les énergies mises en jeu sont relativement faibles (de l'ordre de quelques électrons-volts par atome, eV).
  • Exemple : La combustion du méthane ($CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$).

• Transformation nucléaire :

  • Elle implique une modification du noyau de l'atome.
  • La composition du noyau change, ce qui peut entraîner la transmutation d'un élément chimique en un autre.
  • Les énergies impliquées sont énormes, des millions de fois supérieures à celles des réactions chimiques (de l'ordre du Mégaélectron-volt par noyau, MeV).
  • Exemple : La désintégration radioactive de l'uranium en thorium, ou la fusion de l'hydrogène en hélium dans le Soleil.

La différence fondamentale réside dans ce qui est affecté : les électrons pour le chimique, le noyau pour le nucléaire.

Tous les noyaux ne sont pas stables. La stabilité d'un noyau dépend de l'équilibre entre les forces qui s'y exercent :

• La force électrostatique : Les protons, tous chargés positivement, se repoussent mutuellement. Cette force a tendance à faire éclater le noyau.
• La force nucléaire forte : C'est une force d'attraction extrêmement puissante qui s'exerce entre tous les nucléons (protons et neutrons) à très courte distance. C'est elle qui assure la cohésion du noyau et l'emporte sur la répulsion électrostatique.

Pour qu'un noyau soit stable, il faut un juste équilibre entre protons et neutrons.

• Pour les noyaux légers, la stabilité est maximale lorsque le nombre de protons est approximativement égal au nombre de neutrons ($N \approx Z$).
• Pour les noyaux lourds, il faut un excédent de neutrons ($N > Z$) pour diluer la répulsion entre protons et augmenter la force nucléaire forte.

Les noyaux instables vont chercher à atteindre un état plus stable en se transformant. Ce phénomène est appelé désintégration radioactive. Les noyaux stables se trouvent dans une "zone de stabilité" sur un diagramme N en fonction de Z. Les noyaux en dehors de cette zone sont radioactifs.

La radioactivité est la capacité qu'ont certains noyaux atomiques instables de se transformer spontanément en d'autres noyaux, en émettant des particules (et de l'énergie). Ce phénomène est aléatoire et irréversible. On parle de radioactivité naturelle lorsque ces désintégrations se produisent spontanément dans la nature, sans intervention humaine.

Il existe plusieurs types de désintégration radioactive, caractérisés par les particules émises :

• Radioactivité alpha (α) :

  • Le noyau instable émet une particule alpha, qui est un noyau d'hélium ($_2^4 He$).
  • Le noyau père (initial) se transforme en un noyau fils dont le nombre de masse $A$ diminue de 4 et le numéro atomique $Z$ diminue de 2.
  • C'est typique des noyaux lourds.
  • Pouvoir de pénétration : faible (arrêté par une feuille de papier).

• Radioactivité bêta moins (β-) :

  • Un neutron du noyau se transforme en un proton, un électron ($_{-1}^0 e$) et un antineutrino ($\bar{\nu}_e$). L'électron est éjecté du noyau.
  • Le noyau père se transforme en un noyau fils dont le nombre de masse $A$ reste inchangé, mais le numéro atomique $Z$ augmente de 1.
  • C'est typique des noyaux ayant un excès de neutrons.
  • Pouvoir de pénétration : moyen (arrêté par quelques millimètres d'aluminium).

• Radioactivité bêta plus (β+) :

  • Un proton du noyau se transforme en un neutron, un positon ($_{+1}^0 e$, l'antiparticule de l'électron) et un neutrino ($\nu_e$). Le positon est éjecté du noyau.
  • Le noyau père se transforme en un noyau fils dont le nombre de masse $A$ reste inchangé, mais le numéro atomique $Z$ diminue de 1.
  • C'est typique des noyaux ayant un excès de protons.
  • Pouvoir de pénétration : moyen (similaire aux bêta moins).

• Émission de rayonnement gamma (γ) :

  • Souvent, après une désintégration alpha ou bêta, le noyau fils se retrouve dans un état excité (avec un surplus d'énergie). Il se désexcite en émettant un photon gamma ($\gamma$), un rayonnement électromagnétique de très haute énergie.
  • L'émission gamma ne modifie pas la composition du noyau (pas de changement de $A$ ni de $Z$), elle ne fait qu'évacuer l'excès d'énergie.
  • Pouvoir de pénétration : très élevé (nécessite plusieurs centimètres de plomb ou plusieurs mètres de béton pour être arrêté).

Lors de toute transformation nucléaire, des lois de conservation sont respectées. Elles ont été énoncées par Frederick Soddy et sont essentielles pour écrire correctement les équations des réactions nucléaires.

Pour une réaction nucléaire générale : $_Z^A X \rightarrow _{Z'}^{A'} Y + _{Z''}^{A''} P$

• Conservation du nombre de masse $A$ : La somme des nombres de masse des réactifs est égale à la somme des nombres de masse des produits.

  • $A_{réactifs} = A_{produits}$
  • Dans l'exemple : $A = A' + A''$

• Conservation du numéro atomique $Z$ (ou nombre de charge) : La somme des numéros atomiques des réactifs est égale à la somme des numéros atomiques des produits.

  • $Z_{réactifs} = Z_{produits}$
  • Dans l'exemple : $Z = Z' + Z''$

Ces lois permettent de déterminer la nature des particules émises ou des noyaux produits.

Appliquons ces lois à des exemples concrets :

• Désintégration de l'Uranium 238 (radioactivité α) : L'Uranium 238 ($_{92}^{238} U$) est un noyau lourd instable qui se désintègre par émission alpha. L'équation de désintégration est : $_{92}^{238} U \rightarrow _{Z}^{A} Y + _2^4 He$

  En appliquant les lois de Soddy :

  • Pour A : $238 = A + 4 \Rightarrow A = 234$
  • Pour Z : $92 = Z + 2 \Rightarrow Z = 90$

  Le noyau fils a $Z=90$, c'est le Thorium (Th). L'équation complète est donc : $_{92}^{238} U \rightarrow _{90}^{234} Th + _2^4 He$

• Désintégration du Carbone 14 (radioactivité β-) : Le Carbone 14 ($_6^{14} C$) est un isotope radioactif utilisé pour la datation. Il se désintègre par émission bêta moins. L'équation de désintégration est : $_6^{14} C \rightarrow _{Z}^{A} Y + _{-1}^0 e$

  En appliquant les lois de Soddy :

  • Pour A : $14 = A + 0 \Rightarrow A = 14$
  • Pour Z : $6 = Z + (-1) \Rightarrow Z = 7$

  Le noyau fils a $Z=7$, c'est l'Azote (N). L'équation complète est donc : $_6^{14} C \rightarrow _7^{14} N + _{-1}^0 e$

• Émission de rayonnement gamma (γ) : Comme mentionné, l'émission gamma suit souvent une désintégration alpha ou bêta. Par exemple, après la désintégration du cobalt 60 ($_{27}^{60} Co$) en nickel 60 ($_{28}^{60} Ni$) par radioactivité β-, le noyau de nickel 60 est souvent dans un état excité ($_{28}^{60} Ni^*$). Il libère alors cet excès d'énergie sous forme de rayonnement gamma : $_{28}^{60} Ni^* \rightarrow _{28}^{60} Ni + \gamma$ Remarquez que $A$ et $Z$ ne changent pas.

La fission nucléaire est le processus par lequel un noyau atomique lourd et instable (comme l'Uranium 235 ou le Plutonium 239) se scinde en deux ou plusieurs noyaux plus légers, sous l'impact d'un neutron.

Le processus se déroule généralement comme suit :

1. Un noyau lourd (dit fissile) est bombardé par un neutron lent (appelé neutron thermique).
2. Le neutron est absorbé par le noyau, le rendant encore plus instable.
3. Le noyau instable se déforme et se scinde en deux (parfois trois) noyaux plus légers (appelés produits de fission).
4. Cette scission libère une quantité considérable d'énergie, ainsi que 2 ou 3 nouveaux neutrons rapides et des rayonnements gamma.

Exemple de réaction de fission de l'Uranium 235 : $_{92}^{235} U + _0^1 n \rightarrow _{56}^{144} Ba + _{36}^{89} Kr + 3 \_0^1 n + énergie$ (Ceci est un exemple, d'autres produits de fission sont possibles).

La fission est un phénomène induit, contrairement à la radioactivité qui est spontanée.

Les neutrons libérés lors d'une fission peuvent à leur tour provoquer la fission d'autres noyaux fissiles, créant ainsi une réaction en chaîne.

• Si, en moyenne, plus d'un neutron libéré par fission provoque une nouvelle fission, la réaction s'amplifie et devient incontrôlée. C'est le principe des bombes atomiques.
• Si, en moyenne, un seul neutron libéré par fission provoque une nouvelle fission, la réaction est contrôlée et stable. C'est le principe des centrales nucléaires.

Dans les réacteurs nucléaires, on utilise des matériaux (comme le graphite ou l'eau lourde) pour ralentir les neutrons (modérateurs) et des barres de contrôle (en cadmium ou bore) pour absorber l'excès de neutrons, permettant ainsi de maîtriser la réaction en chaîne et de produire de l'énergie de manière constante.

• Centrales nucléaires : La fission contrôlée est utilisée pour produire de l'électricité. L'énergie thermique libérée par la fission chauffe de l'eau, qui se transforme en vapeur. Cette vapeur fait tourner une turbine, qui entraîne un alternateur pour produire du courant électrique. C'est une source d'énergie massive, mais qui produit des déchets radioactifs très dangereux.
• Armes nucléaires : La fission incontrôlée est le principe des bombes atomiques (type A). Une petite quantité de matière (masse critique) suffit à libérer une énergie dévastatrice.

La fusion nucléaire est le processus inverse de la fission. C'est la réaction par laquelle deux noyaux atomiques légers s'unissent pour former un noyau plus lourd. Ce processus libère également une quantité d'énergie colossale.

Pour que la fusion se produise, il faut vaincre la répulsion électrostatique entre les noyaux (qui sont tous deux chargés positivement). Cela nécessite des conditions extrêmes :

• Températures très élevées (plusieurs millions de degrés Celsius) : Les noyaux doivent avoir une énergie cinétique suffisante pour se rapprocher malgré la répulsion.
• Pressions très élevées : Les noyaux doivent être suffisamment rapprochés pour que la force nucléaire forte puisse agir et les lier.

Dans ces conditions, la matière se trouve à l'état de plasma (un gaz ionisé où les électrons sont séparés des noyaux).

• Réactions au sein des étoiles (Soleil) : Le Soleil et les autres étoiles tirent leur énergie de la fusion de l'hydrogène en hélium. C'est un cycle complexe, mais la réaction principale est la suivante : $4 \ _1^1 H \rightarrow _2^4 He + 2 \ _{+1}^0 e + 2 \nu_e + énergie$ (Quatre protons fusionnent pour former un noyau d'hélium, deux positons et deux neutrinos).

• Fusion Deutérium-Tritium (D-T) : C'est la réaction la plus étudiée pour la production d'énergie sur Terre, car elle nécessite les températures les moins élevées (bien que toujours extrêmes). Le deutérium ($_1^2 H$, un isotope de l'hydrogène avec 1 proton et 1 neutron) et le tritium ($_1^3 H$, un isotope de l'hydrogène avec 1 proton et 2 neutrons) fusionnent : $_1^2 H + _1^3 H \rightarrow _2^4 He + _0^1 n + énergie$ Cette réaction libère un noyau d'hélium et un neutron, avec une grande quantité d'énergie.

La fusion est la source d'énergie la plus puissante de l'univers.

La fusion contrôlée représente une source d'énergie potentielle quasi inépuisable et propre :

• Le combustible (deutérium) est abondant dans l'eau.
• Le tritium peut être produit à partir du lithium.
• Elle produit très peu de déchets radioactifs à vie longue.
• Il n'y a pas de risque d'emballement comme pour la fission.

Cependant, les problèmes technologiques sont immenses :

• Confinement du plasma : Maintenir un plasma à des millions de degrés est un défi majeur. Les champs magnétiques puissants (dans des tokamaks comme ITER) sont la principale voie de recherche pour confiner le plasma loin des parois du réacteur.
• Atteindre et maintenir les températures et pressions nécessaires.

Des projets de recherche internationaux, comme ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) en France, visent à démontrer la faisabilité scientifique et technologique de la fusion comme source d'énergie.

La célèbre équation d'Albert Einstein, ==$E=mc^2$==, est fondamentale pour comprendre les transformations nucléaires. Elle établit une équivalence profonde entre la masse ($m$) et l'énergie ($E$).

• $E$ représente l'énergie (en Joules, J).
• $m$ représente la masse (en kilogrammes, kg).
• $c$ est la vitesse de la lumière dans le vide (environ $3 \times 10^8$ m/s). C'est une constante très grande, ce qui signifie qu'une petite quantité de masse peut être convertie en une énorme quantité d'énergie.

Dans les transformations nucléaires (fission et fusion), il y a une légère perte de masse (la masse des produits est légèrement inférieure à la masse des réactifs). Cette masse "manquante" n'est pas perdue, elle a été convertie en énergie selon la relation $E=mc^2$. C'est cette énergie qui est libérée et qui est si colossale.

• Défaut de masse ($\Delta m$) : Lorsque des nucléons (protons et neutrons) s'assemblent pour former un noyau, la masse du noyau résultant est toujours inférieure à la somme des masses de ses nucléons pris isolément. Cette différence de masse est le défaut de masse. $\Delta m = (Z \cdot m_p + N \cdot m_n) - m_{noyau}$ où $m_p$ est la masse d'un proton, $m_n$ celle d'un neutron, et $m_{noyau}$ la masse du noyau.

• Énergie de liaison ($E_l$) : Le défaut de masse est directement lié à l'énergie de liaison du noyau par la relation d'Einstein : $E_l = \Delta m \cdot c^2$. L'énergie de liaison représente l'énergie qu'il faudrait fournir pour séparer un noyau en ses nucléons isolés. C'est aussi l'énergie libérée lorsque les nucléons s'assemblent pour former le noyau. Plus l'énergie de liaison par nucléon est grande, plus le noyau est stable. Les noyaux les plus stables se situent autour du Fer (Fe) et du Nickel (Ni).

Pour calculer l'énergie libérée lors d'une transformation nucléaire, on détermine la variation de masse ($\Delta m$) entre les réactifs et les produits : $\Delta m = (\text{masse des réactifs}) - (\text{masse des produits})$

Si $\Delta m > 0$, alors de l'énergie est libérée : $E_{libérée} = \Delta m \cdot c^2$.

• Unités d'énergie :

  • Le Joule (J) est l'unité du Système International.
  • En physique nucléaire, on utilise plus souvent l'électron-volt (eV) et le Mégaélectron-volt (MeV), car les énergies sont très grandes à l'échelle atomique.
  • $1 \ eV = 1,602 \times 10^{-19} J$
  • $1 \ MeV = 10^6 \ eV = 1,602 \times 10^{-13} J$

• Comparaison avec les réactions chimiques :

  • Une réaction chimique libère quelques eV par molécule.
  • Une transformation nucléaire libère plusieurs MeV par noyau.
  • L'énergie libérée par unité de masse lors d'une transformation nucléaire est des millions de fois supérieure à celle d'une réaction chimique. C'est pourquoi le nucléaire est une source d'énergie si dense.

Les transformations nucléaires, malgré leurs dangers potentiels, ont des applications très bénéfiques dans de nombreux domaines :

• Imagerie médicale :
  • TEP (Tomographie par Émission de Positons) : Utilise des radiopharmaceutiques émetteurs de positons (radioactivité β+) pour visualiser l'activité métabolique des organes et détecter des tumeurs.
  • Scintigraphie : Utilise des traceurs radioactifs pour étudier le fonctionnement d'organes (thyroïde, os, cœur).
• Radiothérapie : Utilise des rayonnements ionisants (gamma, électrons, protons) pour détruire les cellules cancéreuses.
• Stérilisation : Les rayonnements gamma sont utilisés pour stériliser le matériel médical, les produits pharmaceutiques et même certains aliments (irradiation) pour éliminer les bactéries et les micro-organismes.
• Datation : La datation au Carbone 14 permet de déterminer l'âge d'échantillons organiques (jusqu'à environ 50 000 ans) en mesurant la quantité de carbone 14 résiduelle. D'autres isotopes sont utilisés pour des échelles de temps géologiques (Uranium-Plomb).
• Contrôle industriel : Les sources radioactives sont utilisées pour contrôler l'épaisseur de matériaux, détecter des défauts dans des soudures (radiographie industrielle) ou mesurer des niveaux de liquide.
• Production d'énergie : Les centrales nucléaires à fission produisent une part significative de l'électricité dans de nombreux pays.

Les rayonnements ionisants émis lors des transformations nucléaires sont dangereux pour les organismes vivants :

• Effets biologiques des rayonnements : Les rayonnements (alpha, bêta, gamma, neutrons) ont suffisamment d'énergie pour arracher des électrons aux atomes des molécules biologiques (eau, ADN), créant des ions et des radicaux libres. Cela peut entraîner :

  • Des dommages à l'ADN : mutations, ruptures de brins, ce qui peut provoquer des cancers à long terme.
  • Destruction de cellules : entraînant des brûlures, le mal des rayons, des maladies hématologiques.
  • Effets génétiques : mutations transmissibles aux descendants. La gravité des effets dépend de la dose reçue, du type de rayonnement et de la durée d'exposition.

• Contamination radioactive : C'est la présence indésirable de substances radioactives sur des surfaces, dans l'air, l'eau, les aliments, ou à l'intérieur du corps. La contamination peut être externe (peau, vêtements) ou interne (inhalation, ingestion). Les substances contaminantes continuent d'émettre des rayonnements tant qu'elles ne sont pas éliminées ou désintégrées.

• Protection contre les rayonnements : Pour se protéger, on applique la règle des "3 D" :

  • Distance : S'éloigner de la source, car l'intensité du rayonnement diminue rapidement avec la distance.
  • Durée : Réduire le temps d'exposition.
  • Dosage : Mettre des écrans (blindage) entre la source et soi.
    • Particules alpha : arrêtées par une feuille de papier ou la peau.
    • Particules bêta : arrêtées par quelques millimètres d'aluminium.
    • Rayons gamma et neutrons : nécessitent des matériaux denses et épais comme le plomb, le béton ou l'eau.

La production d'énergie nucléaire génère des déchets radioactifs, qui sont une préoccupation majeure :

• Types de déchets : Ils sont classés selon leur niveau d'activité et leur durée de vie :

  • Très faible activité (TFA) : Matériaux faiblement contaminés (vêtements, outils).
  • Faible et moyenne activité à vie courte (FMA-VC) : Produit de l'exploitation (filtres, résines).
  • Faible et moyenne activité à vie longue (FMA-VL) : Déchets contenant des émetteurs alpha.
  • Haute activité (HA) : Principalement le combustible usé, très radioactif et chaud, avec une durée de vie de milliers, voire de millions d'années.

• Stockage à long terme : La gestion des déchets HA est le défi le plus complexe. Les solutions envisagées sont :

  • Stockage en surface ou en sub-surface pour les déchets de faible et moyenne activité.
  • Stockage géologique profond (comme le projet Cigéo en France) pour les déchets de haute activité. L'objectif est d'isoler ces déchets de la biosphère pendant des centaines de milliers d'années dans des couches géologiques stables.

• Enjeux environnementaux et sociétaux : La gestion des déchets nucléaires pose des questions de sécurité, de sûreté, d'éthique et de coût. Il s'agit d'assurer la protection des générations futures et de l'environnement sur des échelles de temps qui dépassent l'entendement humain. La perception publique et l'acceptabilité sociale de ces solutions sont des enjeux cruciaux.