Chimie et énergie nucléaire
Introduction
Le but de ce cours est de fournir les notions essentielles liées à la compréhension des phénomènes radioactifs et de l'énergie nucléaire. Contrairement aux réactions chimiques ordinaires, les phénomènes nucléaires concernent directement le noyau des atomes.
L'atome n'est donc pas un bloc immuable. Son noyau peut subir des transformations profondes qui modifient sa composition. Ces transformations s'accompagnent souvent de l'émission de particules et de rayonnements, ainsi que de la libération d'une énergie considérable, bien plus grande que celle mise en jeu dans les réactions chimiques classiques.
Les phénomènes nucléaires interviennent dans de nombreux domaines :
- production d'électricité dans les centrales nucléaires
- médecine nucléaire et radiothérapie
- datation archéologique et géologique
- production d'énergie dans les étoiles
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Les principales applications de la chimie nucléaire |
Stabilité des noyaux et désintégrations nucléaires
Le noyau et ses isotopes
Un élément chimique est défini par son nombre de protons, appelé numéro atomique $Z$. Tous les atomes possédant le même nombre de protons appartiennent donc au même élément chimique.
Cependant, les atomes d'un même élément peuvent contenir un nombre différent de neutrons. On parle alors d'isotopes. Les isotopes d'un même élément ont des propriétés chimiques très proches, car ils possèdent le même cortège électronique, mais leurs propriétés nucléaires peuvent être différentes.
Notation
Un nucléide (noyau atomique) est représenté par :
$^A_Z X$
où :
- $A$ est le nombre de masse (protons + neutrons)
- $Z$ est le numéro atomique
- $X$ est le symbole chimique de l'élément
Le nombre de neutrons vaut donc :
$N = A - Z$
Exemple
Le carbone existe sous plusieurs isotopes :
- carbone 12 (stable)
- carbone 13 (stable)
- carbone 14 (radioactif)
Le fait que le carbone 14 soit radioactif alors que les deux autres sont stables montre bien que la stabilité d'un noyau dépend du nombre de neutrons qu'il contient.
La courbe de stabilité
Il existe environ 325 types d'atomes dans la nature, dont 274 seulement sont stables.
La stabilité dépend du rapport entre neutrons ($n$) et protons ($p$). Les neutrons jouent un rôle essentiel dans la cohésion du noyau, car ils participent à l'interaction nucléaire forte sans ajouter de répulsion électrique.
Noyaux légers
Pour les noyaux légers, le rapport :
$n/p \approx 1$
Le nombre de neutrons est donc à peu près égal au nombre de protons.
Noyaux lourds
Pour les noyaux plus lourds, la répulsion électrique entre les protons devient de plus en plus importante. Il faut alors davantage de neutrons pour maintenir la stabilité du noyau :
$n/p \approx 1.5$
Instabilité
Un noyau devient instable lorsque son rapport $n/p$ sort de la zone de stabilité. Il peut alors se transformer spontanément afin de se rapprocher d'une configuration plus stable.
La masse atomique d’un élément étant une moyenne pondérée des masses de ses isotopes naturels, on peut parfois estimer qualitativement le type de désintégration d’un isotope instable en comparant sa masse à cette valeur moyenne. Un isotope sensiblement plus lourd possède généralement un excès de neutrons et tendra à se désintégrer par émission $\beta^-$, tandis qu’un isotope plus léger peut présenter un excès de protons et se transformer par émission $\beta^+$.
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Diagramme de Segré : nombre de neutrons $N$ en fonction du nombre de protons $Z$. |
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Au dessus de la zone de stabilité, l'excès de neutrons permet de prédire que les radiations seront de type $\beta^{-}$ . Au-dessous de la zone stabilité, on s'attend en revanche à des radiations $\beta^{+}$, à cause de l'excès de protons. |
Les types de désintégrations
Lorsqu'un noyau est instable, il peut se transformer spontanément afin de se rapprocher de la zone de stabilité. Ces transformations sont appelées désintégrations radioactives.
Radioactivité alpha ($\alpha$)
La radioactivité $\alpha$ correspond à l'émission d'un noyau d'hélium :
$\ce{^4_2He^{2+}}$
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L'équation nucléaire d'une radiation $\alpha$. |
Elle concerne principalement les noyaux très lourds ($Z > 82$). En émettant une particule $\alpha$, le noyau perd deux protons et deux neutrons, ce qui diminue à la fois sa masse et sa charge.
Caractéristiques :
- rayonnement très ionisant
- pouvoir de pénétration faible
- arrêté par une simple feuille de papier
Radioactivité bêta moins ($\beta^-$)
Dans ce cas, un neutron se transforme en proton avec émission d'un électron :
$\ce{^0_{-1}e}$
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L'équation nucléaire d'une radiation $\beta^{-}$. |
Cette transformation concerne les noyaux ayant un excès de neutrons. Le nombre de masse reste inchangé, mais le numéro atomique augmente de $1$.
Radioactivité bêta plus ($\beta^+$)
Dans cette désintégration, un proton se transforme en neutron avec émission d'un positron :
$\ce{^0_{+1}e}$
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L'équation nucléaire d'une radiation $\beta^{+}$. |
Elle concerne les noyaux ayant un excès de protons. Le nombre de masse reste inchangé, mais le numéro atomique diminue de $1$.
Radioactivité gamma ($\gamma$)
La radioactivité $\gamma$ correspond à l'émission d'un photon de très haute énergie.
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Un exemple d'émission $\gamma$. |
Elle accompagne souvent les désintégrations $\alpha$ ou $\beta$, lorsque le noyau formé est encore dans un état excité. L'émission $\gamma$ permet alors au noyau de perdre un excès d'énergie sans changer sa composition.
Caractéristiques :
- rayonnement très pénétrant
- nécessite du plomb ou du béton épais pour être arrêté
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Pouvoir de pénétration des rayonnements $\alpha$, $\beta$ et $\gamma$. |
Écrire et équilibrer les équations nucléaires
Le principe fondamental est la conservation du nombre de masse $A$ et du numéro atomique $Z$.
Lors d'une réaction nucléaire, la somme des nombres de masse doit être identique de part et d'autre de l'équation, de même que la somme des numéros atomiques. Cette règle permet de compléter ou de vérifier une équation nucléaire.
Exemples de réactions
Désintégration $\alpha$ du polonium 210
$$ \ce{^{210}_{84}Po -> ^{206}_{82}Pb + ^4_2He} $$
Vérification :
- $210 = 206 + 4$
- $84 = 82 + 2$
Désintégration $\beta^-$ du carbone 14
$$ \ce{^{14}_6C -> ^{14}_7N + ^0_{-1}e} $$
Le numéro atomique augmente de 1.
Désintégration $\beta^+$ du sodium 22
$$ \ce{^{22}_{11}Na -> ^{22}_{10}Ne + ^0_{+1}e} $$
Le numéro atomique diminue de 1.
Loi de décroissance radioactive et datation
La demi-vie (période radioactive $T$)
La radioactivité diminue selon une loi exponentielle :
$$ N(t) = N(0)\,e^{-kt} $$
où $N(t)$ représente le nombre de noyaux radioactifs encore présents au temps $t$, et $N(0)$ le nombre initial.
La période radioactive ou demi-vie $T$ est le temps nécessaire pour que la moitié des noyaux initiaux se désintègrent.
Cette période est indépendante des conditions extérieures comme la température, la pression ou l'état chimique de la substance. Il s'agit donc d'une propriété intrinsèque du noyau.
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Courbe de décroissance radioactive illustrant les demi-vies successives. |
Pour $t = T$, on a :
$$ N(T) = \frac{1}{2} N(0) $$
En substituant cette relation dans l'équation de la loi exponentielle, on obtient :
$$ \frac{1}{2} = e^{-kT} $$
On en déduit :
$$ kT = -\ln\left(\frac{1}{2}\right) $$
et donc :
$$ k = \frac{\ln 2}{T} $$
$k$ représente la constante de décroissance caractéristique de l’isotope considéré. L'activité radioactive correspond au nombre de désintégrations par unité de temps.
Elle est proportionnelle au nombre de noyaux radioactifs présents :
$$ A(t) = k\,N(t) $$
Comme $N(t) = N(0)e^{-kt}$, on obtient également :
$$ A(t) = A(0)e^{-kt} $$
Application à la datation
Le carbone 14 possède une demi-vie :
$T = 5730$ ans.
Tant qu'un organisme est vivant, le rapport entre $\ce{^{14}C}$ et $\ce{^{12}C}$ reste à peu près constant, car l'organisme échange continuellement du carbone avec son environnement.
Après la mort :
- l'organisme n'échange plus de carbone avec l'atmosphère
- le $\ce{^{14}C}$ commence à se désintégrer progressivement
La mesure de la quantité restante de $\ce{^{14}C}$ permet donc d'estimer l'âge de l'échantillon. Cette méthode est particulièrement utile pour dater des restes organiques comme le bois, les tissus ou les ossements.
Dangers de la radioactivité et mesures
Irradiation vs contamination
Les effets biologiques de la radioactivité dépendent fortement de la manière dont l'organisme est exposé.
Irradiation
Irradiation : l'individu est exposé à une source radioactive située à l'extérieur du corps. Le danger dépend alors surtout du pouvoir de pénétration du rayonnement. Les rayons $\gamma$ sont les plus dangereux dans ce cas, car ils traversent plus facilement la matière.
$\gamma > \beta > \alpha$
Contamination
Contamination : la substance radioactive entre en contact direct avec l'organisme, ou pénètre à l'intérieur de celui-ci.
La contamination peut se faire par :
- inhalation
- ingestion
Dans ce cas, ce sont les rayonnements les plus ionisants qui deviennent les plus dangereux, car ils déposent leur énergie directement dans les tissus vivants.
$\alpha > \beta > \gamma$
Périodes biologiques
Période physique $T_p$
Temps caractéristique de désintégration radioactive.
Période biologique $T_b$
Temps nécessaire pour que l'organisme élimine naturellement la moitié des atomes par les processus biologiques normaux.
Exemple :
- environ 30 jours pour l'iode dans la thyroïde
Période effective $T_e$
Lorsqu'un isotope radioactif est présent dans le corps, il disparaît à la fois par désintégration radioactive et par élimination biologique. La période effective tient compte des deux phénomènes :
$$ \frac{1}{T_e} = \frac{1}{T_p} + \frac{1}{T_b} $$
Unités de mesure
Becquerel (Bq)
Le becquerel mesure l'activité radioactive. Il correspond à une désintégration par seconde.
Gray (Gy)
Le gray mesure l'énergie absorbée par kilogramme de matière irradiée.
Sievert (Sv)
Le sievert mesure l'effet biologique sur l'organisme. Il tient compte non seulement de l'énergie reçue, mais aussi de la nature du rayonnement.
Facteurs typiques :
- $\alpha$ : facteur $20$
- $\gamma$ : facteur $1$
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Les unités de mesure de la radioactivité. |
Fission et fusion nucléaire
Origine de l'énergie ($E = mc^2$)
La masse d'un noyau lié est inférieure à la somme des masses des nucléons isolés qui le constituent.
Cette différence de masse est appelée :
défaut de masse
Elle est convertie en énergie de liaison selon la relation d'Einstein :
$E = mc^2$
Cette énergie est l'énergie qu'il faudrait fournir pour séparer totalement tous les nucléons du noyau. L'énergie de liaison par nucléon constitue une mesure de la stabilité du noyau : plus cette énergie est élevée, plus les nucléons sont fortement liés entre eux.
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Courbe d'Aston : énergie de liaison par nucléon en fonction du nombre de masse $A$. |
Cette courbe permet de comprendre pourquoi :
- les noyaux lourds peuvent libérer de l'énergie par fission
- les noyaux légers peuvent libérer de l'énergie par fusion
Dans les deux cas, les produits formés se rapprochent de la zone de plus grande stabilité, située vers les noyaux de masse moyenne.
La fission
La fission correspond à la rupture d'un noyau lourd (comme l'uranium 235) sous l'impact d'un neutron lent.
Le noyau se casse en deux noyaux plus légers, avec émission de neutrons et libération d'énergie.
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la réaction en chaîne: des neutrons libérés qui alimentent la réaction. |
Réaction en chaîne
Chaque fission libère :
- $2$ ou $3$ neutrons
Ces neutrons peuvent provoquer de nouvelles fissions, ce qui crée une réaction en chaîne. Si cette réaction est contrôlée, elle peut être utilisée dans un réacteur nucléaire. Si elle ne l'est pas, elle peut conduire à une explosion.
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la réaction en chaîne: des neutrons libérés qui alimentent la réaction. |
La fusion
La fusion correspond à l'union de deux noyaux légers pour former un noyau plus lourd.
Exemple :
- deutérium
- tritium
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La fusion entre le déuterium et le tritium. |
Ces noyaux peuvent fusionner pour former de l'hélium.
La fusion libère beaucoup plus d'énergie que la fission, mais elle nécessite des températures de plusieurs dizaines de millions de degrés afin de vaincre la répulsion électrique entre noyaux positifs.
C'est ce type de réaction qui alimente naturellement le Soleil et les autres étoiles.
Fonctionnement d'une centrale nucléaire
Une centrale nucléaire utilise la chaleur produite par la fission contrôlée pour produire de l'électricité.
Enrichissement de l'uranium
L’uranium naturel contient principalement $\ce{^{238}U}$ et seulement environ $0.7\%$ de $\ce{^{235}U}$, qui est l’isotope fissile le plus utile pour les réacteurs nucléaires.
Pour être utilisé dans une centrale, l’uranium doit donc être enrichi en $\ce{^{235}U}$. On doit obtenir un uranium enrichi à environ $4\%$ de $\ce{^{235}U}$ pour les réacteurs nucléaires ordinaires.
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L'enrichissement: on augmente le pourcentage de $\ce{^{235}U}$. |
Formation d’un gaz
Les oxydes d’uranium extraits des mines ($\ce{U3O8}$, $\ce{UO2}$ et $\ce{UO3}$) sont transformés en hexafluorure d’uranium :
$\ce{UF6}$
Ce composé devient gazeux vers $80\,^\circ\mathrm{C}$, ce qui permet la séparation isotopique.
Séparation isotopique par centrifugation
Le gaz $\ce{UF6}$ est introduit dans des centrifugeuses tournant à très grande vitesse. Les molécules contenant l’isotope plus lourd $\ce{^{238}U}$ sont légèrement repoussées vers la périphérie, tandis que celles contenant l’isotope plus léger $\ce{^{235}U}$ restent un peu plus proches de l’axe.
Comme la différence de masse entre les isotopes est très faible, une seule centrifugeuse ne suffit pas. On utilise donc de nombreuses centrifugeuses reliées en cascade afin d’augmenter progressivement la proportion de $\ce{^{235}U}$.
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Principe de la séparation isotopique par centrifugation. |
Séparation isotopique par diffusion gazeuse
L'uranium est injecté sous forme d'hexafluorure d'uranium gazeux. Les molécules d'hexafluorure doivent traverser des membranes très fines percées de milliards de pores au $cm^2$. Les molécules plus légères contenant l'isotope $235$ franchissent un tout petit peu plus rapidement ces barrières.
Au bout de $1400$ barrières (comme à l'usine Georges-Besse), on obtient un taux d'enrichissement d'environ $4\%$.
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Principe de la séparation isotopique par diffusion. |
Le réacteur (cœur)
Le réacteur contient les éléments essentiels au maintien d'une réaction en chaîne contrôlée :
Combustible
Uranium enrichi à environ $4\%$ en $\ce{^{235}U}$.
Dans certains dispositifs nucléaires, il est nécessaire de produire quelques neutrons initiaux afin de déclencher la réaction en chaîne. Une méthode consiste à utiliser une réaction entre une particule $\alpha$ et du béryllium stable.
Lorsqu’une particule $\alpha$ (noyau d’hélium) entre en collision avec un noyau de béryllium $\ce{^{9}_4Be}$, la réaction nucléaire se produit, permettant d'obtenir le "neutron initial" :
$$ \ce{^{9}_4Be + ^4_2He -> ^{12}_6C + ^1_0n} $$
Modérateur
Substance, comme l’eau ou le graphite, permettant de ralentir les neutrons rapides pour les transformer en neutrons lents, plus efficaces pour provoquer de nouvelles fissions.
Barres de contrôle
Composées notamment de :
- bore
- cadmium
Elles absorbent les neutrons et permettent de contrôler la réaction en chaîne.
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Le rôle des barres de contrôle. |
Les circuits
Circuit primaire
L'eau du circuit primaire circule au contact du cœur du réacteur. Elle s'échauffe fortement sous l'effet des fissions nucléaires.
Circuit secondaire
L'eau chaude du circuit primaire transmet son énergie à l'eau du circuit secondaire dans un échangeur de chaleur. L'eau du circuit secondaire se transforme alors en vapeur.
Turbine et alternateur
La vapeur produite met en mouvement une turbine reliée à un alternateur, qui convertit l'énergie mécanique en énergie électrique.
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Schéma d'un réacteur nucléaire. |
Bombes nucléaires
Les bombes nucléaires
Bombe A (fission)
La bombe atomique utilise une réaction de fission nucléaire non contrôlée. Elle nécessite une masse critique afin que la réaction en chaîne devienne extrêmement rapide et libère une très grande quantité d'énergie en un temps très court.
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La masse critique en fonction de l'enrichissement. |
Afin d’éviter une explosion accidentelle lors du transport des bombes (qui pourrait être causée par la fission spontanée de l'uranium), la matière fissile est toujours séparée en deux morceaux à l’intérieur de la bombe. De cette façon la masse critique n’est pas atteinte et la réaction de fission ne peut pas débuter. Cette méthode est appelée méthode par «insertion» ou «technique du pistolet» (revolver). Elle a notamment été utilisée avec la bombe Little Boy (voir schéma ci-dessous), larguée sur Hiroshima.
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La méthode d'insertion de la bombe d'Hiroshima. |
Bombe H (fusion)
La bombe à hydrogène utilise une réaction de fusion nucléaire. Une bombe A sert d'amorce pour fournir la température énorme nécessaire au déclenchement de la fusion.
Le Soleil et les étoiles
Le Soleil est un gigantesque réacteur de fusion naturel.
Dans son cœur, la température atteint environ :
$15\,000\,000\ \mathrm{K}$
À cette température, les noyaux d’hydrogène peuvent fusionner pour former de l’hélium. Cette suite de réactions libère l’énergie rayonnée par le Soleil.
Dans les étoiles plus massives, la température encore plus élevée permet la fusion d’éléments plus lourds.
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Chaîne proton-proton produisant l'énergie du Soleil. |
La fusion industrielle
La fusion nucléaire nécessite de relever plusieurs défis majeurs :
- atteindre des températures extrêmement élevées
- confiner un plasma instable
- maintenir la réaction suffisamment longtemps
- obtenir un bilan énergétique positif
- concevoir des matériaux résistants aux conditions extrêmes
Ces difficultés expliquent pourquoi la fusion contrôlée n’est pas encore exploitée industriellement.
Approvisionnement en combustible
La réaction de fusion la plus efficace envisagée dans les réacteurs nucléaires est :
$$ \ce{^2_1H + ^3_1H -> ^4_2He + ^1_0n} $$
Elle met en jeu deux isotopes de l’hydrogène :
- le deutérium $\ce{^2_1H}$
- le tritium $\ce{^3_1H}$
Le deutérium
Le deutérium est naturellement présent dans l’eau (environ $0.015\%$ de l’hydrogène). Il est donc très abondant à l’échelle de la planète et facile à extraire.
Le tritium
Le tritium est beaucoup plus problématique :
- il est radioactif (demi-vie d’environ $12$ ans)
- il est très rare dans la nature
- il ne peut pas être stocké longtemps en grande quantité
Il n’existe donc pas de réserve naturelle exploitable.
Production du tritium
Pour alimenter un réacteur de fusion, le tritium doit être produit directement dans le réacteur.
Cette production repose sur une réaction nucléaire entre des neutrons issus de la fusion et du lithium :
$$ \ce{^6_3Li + ^1_0n -> ^4_2He + ^3_1H} $$
Le lithium est un élément relativement abondant, ce qui rend ce procédé envisageable à grande échelle.
Défi technologique
Le principal défi consiste à concevoir des dispositifs capables :
- de produire suffisamment de tritium pour entretenir la réaction
- de récupérer efficacement ce tritium
- de limiter les pertes et les risques liés à sa radioactivité
Ce système, appelé couverture tritigène, est encore en cours de développement.
Ainsi, même si le deutérium est abondant, la nécessité de produire le tritium constitue un verrou technologique majeur pour l’exploitation industrielle de la fusion nucléaire.
Fission et fusion
Dans les étoiles, on parle parfois de chaîne proton-proton pour désigner la suite de réactions de fusion qui transforme l’hydrogène en hélium. Il ne s’agit toutefois pas d’une réaction en chaîne au même sens que dans la fission : les produits d’une étape servent de réactifs pour l’étape suivante, mais ils ne déclenchent pas rapidement une multiplication de réactions identiques comme le font les neutrons dans la fission.
Annexes : applications et déchets
Applications médicales
Les isotopes radioactifs sont utilisés :
- comme traceurs en imagerie médicale (par exemple le technétium 99)
- pour le traitement de cancers (par exemple le cobalt 60)
La médecine nucléaire repose donc à la fois sur la détection des rayonnements émis et sur leur capacité à détruire certaines cellules.
Déchets nucléaires
Les déchets radioactifs sont classés selon leur niveau d’activité :
- faible activité
- activité moyenne
- haute activité
Les déchets les plus dangereux doivent être isolés sur de très longues durées. En Suisse, les déchets de haute activité sont destinés à un stockage géologique profond, afin de limiter les risques pour l’homme et l’environnement.