Chap. 16

Physique nucléaire
Chapitre 16
hn
Radioactivité
artificielle
Guy COLLIN,
2014-12-29
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 ?
hn
2014-12-29
Découverte
de la transmutation artificielle


hn
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 :
14
4
18
1
17
N + 2He  ( 9F )  1 H + 8 O
7
2014-12-29
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 :
14
17
7 N(a,P) 8 O
Puis de BOTHE, BECKER,
CHADWICK : le neutron
 13

9
4
12
1


4 Be + 2 He   6 C   6 C + 0 n
hn

ou encore :
9
12
4 Be ( a, n ) 6 C
2014-12-29
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 :
 31 
27
4
30
1


*+ n
Al
+
He

P
P
13
2
15
0
 15 

hn
réaction suivie de :
30
30
*
+
15 P  14 Si +  + n (n , neutrino)
2014-12-29
La synthèse à l’aide de neutrons

La réaction « neutron - alpha » :
27
24
13 Al (n , a) 11 Na ( 14,8 heures )
Élément radioactif : T = 14,8 h

La réaction « neutron - proton » :
27
27
13 Al (n , p) 12 Mg
hn
Élément radioactif : T = 10,2 m
2014-12-29
Certains produits sont stables

La réaction « neutron - alpha » suivante :
10
7
5 B (n , a) 3 Li


est d’une grande probabilité.
Elle est utilisée pour mesurer l’intensité
d’un faisceau de neutrons.
Pas de réaction nucléaire.
hn
Cette réaction est mise à profit dans les
centrales nucléaires pour absorber les
neutrons en cas d’emballement du réacteur.
2014-12-29
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
m1 1 = m1  1' + m2 2'
m2, v2
hn
m1 12
m1 '12
m2 '22
=
+
2
2
2
2014-12-29
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 :
m1, v1
m2, v2 = 0


hn
DE1
4 m1 m2
E1 = (m1 + m2)2
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.
2014-12-29
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.
hn
2014-12-29
La section efficace



hn
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.
Source de neutrons
2014-12-29
Énergétique des réactions nucléaires

Ces réactions obéissent à des règles élémentaires :
 de conservation d’énergie ;
« Rien ne se perd,
 de conservation de matière ;
rien ne se crée »
 de conservation de matière-énergie ; et
 de conservation de quantité de mouvement.
13
1
6C + 1H
hn
12
2
C + H
6
1
10
4
B + He
5
2

14
( 7N )* 
1
H + 13C
1
6
4
10
He + B
2
5
13
1
n + N
7
0
g + 14 N
7
2014-12-29
Coordonnées de réactions nucléaires
a = 1 MeV
Énergie (MeV)
12
14 N**
7
a
10 B + 4 He
5
2
14 N*
b
7
c
6
13N + 1 n
7
0
13 C + 1 H
6
1
b = 6 MeV
c = 2 MeV
hn
0
14 N
7
2014-12-29
MeV
A
31 P*
15
Émission de
a
1H
1
3,79 MeV
3,51 MeV
2,24 MeV
27 Al
13
31 P
15
30 Si
14
Nombre de protons
Bilans dans les réactions nucléaires
2,24 MeV
B
3,51 MeV
3,79 MeV
4
6
8
10
Énergie (MeV)
hn
2014-12-29
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 :
7
1
4
4
3 Li + 1 H  2 He + 2 He
hn
2014-12-29
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 :
54
203
255
1
24 Cr + 82 Pb  106 Sg + 2 0 n, (T (X) milliseconde)
18
249
263
1
8 O + 98 Cf  106 Sg + 4 0 n, (T (X) = 0,9 seconde)
hn
2014-12-29
Le CERN à Genève
Et d’autres images, explications, …
hn

http://public.web.cern.ch/Public/
2014-12-29
Quelques éléments
transuraniens
Éléments
hn
Noms*
Symbole
104
Rutherfordium
Rf
105
Dubnium
Db
106
Seaborgium
Sg
107
Bohrium
Bh
108
Hassium
Hs
Réactions de synthèse*
261
Rf
104
262
249Bk (18O, 5n)
Db
105
265
248Cm (22Ne, 5n)
Sg
106
267
249Bk (22Ne, 4n)
Bh
107
270
238U (36S, 4n)
Hs
108
248Cm (18O, 5n)
*: 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).
2014-12-29
La fission


hn
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
239
U
(n,
g)
92
92 U
239
0
239
U
e
+

92
-1
93 Np
239
0
239
93 Np  -1 e + 94 Pu
239
4
235
Pu
He
+

94
2
92 U
(période de 23 minutes)
(période de 2,3 jours)
(période 24 100 ans)
2014-12-29
La fission
Lorsqu’un
neutron
frappe un noyau
d’uranium-238
non fissile
238U
il y a éjection
de deux
particules 
e-
e-
et formation
d’un noyau de
plutonium-239
fissile
239Pu
On pourrait donc considérer le plutonium comme
le père du très rare isotope 235U.
hn
2014-12-29
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.
hn
2014-12-29
Le principe de fonctionnement
de la bombe A
Fission de l’uranium 235 bombardé par les
neutrons lents ou rapides :
1
235
143
83
1
n
+
U
Ba
+
Kr
+
10

0
92
56
36
0n
1
235
n
+
0
92 U 
139
95
1
I
+
Y
+
2
53
39
0n
1
235
136
88
1
n
+
U
Xe
+
Sr
+
12

0
92
54
38
0n
hn
La distribution de ces produits est telle que
72 < M < 162.
2014-12-29
La fission de l’uranium
neutron
235U
Énergie
hn
2014-12-29
La fission de l’uranium
et la fission en chaîne
235U
neutron
énergie
hn
2014-12-29
Fréquence de fission de 235U
10 Fréquence (%)
10-1
10-3
M
10-5
60
100
140
180
hn
2014-12-29
Distribution d’énergie et section
efficace des neutrons émis par 235U
Nombre
barns
0,4
235U
Neutrons
thermiques
103
0,2
100
0
0,72
2
4
Énergie (MeV)
hn
10
0,01
0,1
1
Énergie (MeV)
2014-12-29
La centrale nucléaire type


hn
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.
2014-12-29
Des exemples de centrales
hn
Combustible
Modérateur
Fluide
caloporteur
Nationalité
U naturel
graphite
CO2
France
U naturel
eau lourde
eau lourde sous
pression
Canada
U enrichi
eau naturelle en ébullition
États-Unis
U enrichi
eau sous pression
URSS
U enrichi ou
plutonium
aucun
Na liquide
Sous-marins
nucléaires
2014-12-29
Le principe de construction d ’une
centrale nucléaire
Barreaux
d ’uranium

hn
Barres de
contrôle
Sans oublier les
réflecteurs de
neutrons sur le
pourtour extérieur
et la cuve en béton.
Fluide
caloporteur
Ralentisseur
de neutrons
2014-12-29
Installations nucléaires
hn
2014-12-29
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.
hn
2014-12-29
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.
hn
2014-12-29
Les réacteurs d’Oklo
Réacteurs nucléaires naturel d ’Oklo
hn
http://www.curtin.edu.au/curtin/centre/waisrd/OKLO/
2014-12-29
Les déchets nucléaires à Oklo
stabilisés
mobiles
Partiellement
et localement
redistribués
hn
2014-12-29
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 :
2
3
4
1
1 H + 1 H  2 He + 0 n

hn
+ 168,9 107 kJ
C’est le principe de la réaction
thermonucléaire et de la bombe H.
2014-12-29
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.
hn
2014-12-29
Le cycle de BETHE
1H + 12C
13N
 13N + g
 13C + ß+ + n
1H + 13C
 14N + g
1H + 14N
 15O + g
15O
1H + 15N
4 1H
 15N + ß+ + n
 12C + 4He
 3 g + 2 + + 2 n + 4He + 25 MeV
hn
2014-12-29
Chaîne proton - proton
Principales réactions de la chaîne proton-proton.
hn
2014-12-29
Importance relative des cycles P-P
et CNO
Échelle relative
Cycle CNO
Cycle
proton - proton
Soleil
T (106 K)
hn
Vitesse de production d’énergie par les cycles P-P et CNO en fonction
de la température.
2014-12-29
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
hn et les étoiles.

2014-12-29