antoine jolly enseignant - chercheur au lisa p1 - 320

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Antoine JOLLYEnseignant - Chercheur au LISA

[email protected] - 320

Université Paris Est Créteil, FranceLICENCE 1ère année – 2ème semestre

• STRUCTURE: 10h30 de COURS, 10h30 de TD, 2 CC• ORIGINE: 9 h de COURS, 1 CC :

I. Les origines et les ressources terrestres.II. La matière isotopique, radioactive et nucléaire.III. La nucléosynthèse stellaire et primordiale.

Origine et structure de la matière

Les découvertes: les rayons X et la radioactivité

Un physicien allemand, Wilhelm Conrad Röntgen, découvre parhasard les rayons X le 8 Novembre 1895. Lors d’une expérienceavec un tube à décharge électrique fluorescent, il remarque unelueur sur une plaque luminescente qui se trouve à l’autre bout de lapièce. Les nouveaux rayons sont plus ou moins absorbées par lamatière. La femme de Röntgen subit la 1ère radio de la main.Les rayons X sont un rayonnement électromagnétique comme lalumière visible mais avec une plus grande fréquence et une plusgrande énergie. (Prix Nobel 1901)

Un physicien français, Henri Becquerel, entend parler desrayons X et se demande si le sels d’uraniumsphosphorescents de son laboratoire émettent aussi desrayons X après exposition au soleil, et ça marche !Sauf qu’en mars 1896, le sel d’uranium rangé dans un tiroir aimpressionné la plaque photographique de la mêmemanière. L’uranium n’a pas besoin de l’énergie du soleil, ilémet son propre rayonnement.Il appelle les rayons émis : les rayons uraniques. Il constatequ'ils sont capables d'électriser l'air.L'intensité ne décroissant pas avec le temps, Henri Becquerelse demande « d'où l'uranium emprunte l'énergie qu'il émetavec une telle persistance ? »

Les découvertes: le polonium et le radium

En novembre 1897, Marie Curie Sklodowska décide de recherchersystématiquement les « rayons uraniques » dans un grand nombred'éléments, de composés et de minéraux. Elle utilise leur propriétéd'électriser l'air qu’elle mesure avec un électromètre à quartzpiézoélectrique inventé par son mari Pierre Curie.Marie Curie découvre que le Thorium émet également ces « rayons deBecquerel » et que certains minéraux d'uranium comme la pechblende etla chalcolite ont une émission beaucoup plus intense que l'uranium.Marie Curie pense qu’il s’agit d’une propriété de la matière « atomique »et lui donne le nom de radioactivité.Pierre et Marie Curie découvrent en 1898 deux éléments inconnus, lepolonium puis le radium, présents en faible quantité dans la pechblende.Marie Curie montre que le Radium est un des éléments manquants. Elledétermine sa masse atomique : 226Le radium est un million de fois plus radioactif que l'uranium. Ce métalest visible dans l'obscurité et semble dégager une chaleur inépuisable.En 1903, Pierre et Marie Curie sont couronnés du Prix Nobel avec HenriBecquerel (en 1911 Marie Curie sera à nouveau couronnée du Prix Nobel).

Radium 226 : Période de demi-vie: 1600 ans, élément radiogénique issus de ladésintégration de l’uranium, activité de 37 milliards de désintégration parseconde et par gramme (37 GBq/g = 1 Curie).

Chapitre 2 – Isotopes, radioactivité et réactions nucléairesRadioactivité du corps humain: Nous sommes aussi radioactifs ... 8000 Bq (120 Bq/kg )

Plus de la moitié de l'irradiation interne vient du potassium-40, qui pénètre dans l'organismehumain par ingestion. L'organisme humain contient également du carbone-14. Au total, huitmille atomes de potassium-40 et de carbone-14 se désintègrent par seconde dans notre corpsLes atomes de potassium-40 et de carbone-14 émettent principalement des électrons qui,absorbés sur place, sont à l'origine d'une exposition interne. Les désintégrations du potassium-40 produisent aussi 11 % de rayons gamma qui peuvent être détectés en dehors du corpshumain.Cet isotope de potassium-40 représente un dix millième du potassium naturel.

Activité radioactive artificiel:

Chapitre 2 – Isotopes, radioactivité et réactions nucléaires

Les appareils de mesure modernes sont capables de mettre en évidence de très faiblesactivités. Dans cet exemple, un laboratoire belge a suivi depuis un demi-siècle l'évolution del'activité du césium-137 dans le corps humain et montré l'impact d'évènements comme lesretombées des essais nucléaires des années 60 et l'accident de Tchernobyl. Les activités dequelques centaines de Becquerels peuvent sembler élevées. Elles sont en réalité très faibles :une centaine de Becquerels correspond à l'activité naturelle d'un kilogramme de notre corpsqui n'est pas particulièrement radioactif. Les rejets de Fukushima ont atteint 10 % de ceux deTchernobyl et n’ont pas eu d’impact global. (http://www.laradioactivite.com/site/pages/Fukushima_Contamination.htm)

Le Cesium 137 est un des principaux produit de fission de l’uranium. Un gramme de césium 137 pur présente une radioactivité de 3,204 TBq (1012 désintégration par seconde)

La vallée de stabilité

Radioactivité bêta : à la recherche de la plus grande stabilité ...

La famille des noyaux comportant 127nucléons montre la relation entremasse et stabilité.L'élément stable est l'iode-127, avec53 protons et 74 neutrons. Cetterépartition correspond à la plus petitemasse des noyaux de la famille, la plusgrande énergie de liaison.

Dans la famille des noyaux à 127 nucléons, seul le noyau d’iode-127 est stable. Si l’onreprésente les excédents d’énergies de masse (mc2), la courbe des masses a l'allure d'unevallée. Le nombre de protons augmente de gauche à droite,, alors que celui des neutronsdiminue de 78 à 70. L’énergie de l’iode-127 étant prise comme 0, les différences d’énergies sontexprimées en millions d’électronvolts. Les noyaux sur le flanc gauche de la vallée, excédentairesen neutrons retrouvent la stabilité par une suite de désintégrations bêta-moins, ceux du flancdroit (excédentaires en protons) par une suite de désintégrations bêta-plus.


Désintégration b-: émission d’un électron

Désintégration b+

émission d’un positron

Radioactivité alpha : Où comment des noyaux trop lourds perdent du poids ...

Exemple de la désintégration historique duradium-226:Ce gros noyau de 226 nucléons, dont 88protons et 138 neutrons, émet une particulealpha composée de deux protons et deuxneutrons. Il se transforme alors en noyau deradon-222, lui-même radioactif, contenantdeux protons et deux neutrons de moins.

Les périodes des désintégration alpha sont souvent longues. Ainsi, certains émetteursalpha comme le thorium-232 et l'uranium-238 mettent des milliards d'années à sedésintégrer. Le radium-226 se désintègre lui avec une période de 1600 ans. La moitié desnoyaux de radium contemporains du siège de Paris par Attila en 422 ne se sont donc pasencore désintégrés, bien que le radium soit un élément réputé très radioactif.


Radioactivité gamma (γ): où comment les noyaux se débarrassent d'un surplus d'énergie.

Emission de gamma en cascade:La radioactivité gamma accompagne généralement les radioactivités bêta et alpha,comme le montre l’exemple du Cobalt-60. Ce noyau se désintègre par radioactivitébêta en un noyau de nickel-60 stable avec une période de 5271 ans.La transformation, accompagnée de l’émission d’un électron et d’un antineutrino,aboutit neuf cent quatre-vingt dix neuf fois sur mille à un état excité du nickel-60. Lenoyau perd les 2500 keV de son énergie d’excitation en émettant un premier photongamma de 1.33 MeV suivi d’un second de 1.17 MeV.


Les photons gamma sont desrayonnements électromagnétiquesbeaucoup plus énergétiques que lalumière visible. Ce sont lesrayonnements les plus énergétiquesdu spectre électromagnétique. Ilssont très pénétrants et donc trèsnocifs pour les organismes vivants.

Effet et dose radioactive : Expositions telluriques ou la radioactivité qui émane du sol

Dans un pays comme la France, onestime l'exposition annuellemoyenne due au rayonnementtellurique aux environs de 0.50 mSv.Ceci suppose que 80% du temps estpassé à l'intérieur des habitations et20% à l'extérieur. Cette expositionpeut être 4 fois supérieure dans lesrégions granitiques comme certainscoins de Bretagne, où le granit estriche en éléments radioactifs.


Les effets dus à la radioactivité sur les organismes vivants, ne sont pas directement liésau nombre de désintégration car chaque atome ne libère pas la même énergie ;les rayonnements émis sont de natures très différentes ; tous n’atteignent pas obligatoirementl’organisme de la même manière.De plus, suivant les parties de l’organisme touchées par les rayonnements, les effets sontdifférents. Pour en tenir compte, la dose absorbée (en Gray) est multipliée par un facteur quipermet d’aboutir à la dose biologique équivalente, exprimée en Sievert (Sv).

La radiothérapie est une méthodede traitement local des cancers, utilisantdes radiations (rayons, électrons ou protons) pourdétruire les cellules cancéreuses en bloquant leurcapacité à se multiplier. L'irradiation a pour but dedétruire toutes les cellules tumorales tout enépargnant les tissus sains périphériques

http://www.mesure-radioactivite.fr/public/s-glossaire.html?idmot=93

Radioactivité naturelle :Le Radon: Un gaz radioactif naturel

Le radon qui sort du sol sous forme d’uneémanation gazeuse se transforme dans undélai de l’ordre d’une heure en un isotopedu plomb, le plomb-210. Il passe par desnoyaux intermédiaires dont les atomes denature métallique peuvent se déposerdans les poumons si le gaz et sesdescendants sont respirés. Deux de cesnoyaux intermédiaires, le polonium-218 etle polonium-214 émettent des rayonsalpha, les plus nocifs pour les cellules duvivant quand ils sont à leur contact.

La concentration du radon dans l’air estmesurée par le nombre de désintégrations(becquerels) par mètre cube. Cette cartemontre la moyenne des mesures effectuéesdans 10013 communes. Les zones à fortesconcentrations épousent les contours duMassif-Central et de la Bretagne, régions devieux massifs granitiques.

La fission nucléaire: De gros noyaux déstabilisés par des neutrons ...Certains noyaux lourds et fragiles se

cassent en deux fragments à la suite de lacapture d'un neutron. C’est la fission.Le phénomène ne concerne qu'unepoignée d'éléments, appelés « fissiles ».Ces éléments sont tous instables. Le seul àavoir subsisté à la surface de la terre estun isotope très minoritaire de l'uranium :l'uranium-235, dont la période est de 700millions d'années. Il est présent enquantité minime dans la croûte terrestre.La fission se produit exceptionnellementde manière spontanée. Plus souvent, elleest provoquée par l'introduction d'unneutron dans un noyau fissile. Cettedésintégration provoquée est uneréaction nucléaire.

Un second noyau fissile important est leplutonium-239. Ce noyau artificiel est produità partir de l’uranium dans le cœur desréacteurs nucléaires.

La fragmentation est accompagnée d’autres neutrons qui peuvent générer d’autresfissions. L'énergie nucléaire libérée concerne alors des quantités considérables de matière.Cette réaction en chaîne peut prendre un tour explosif (bombe atomique) ou êtrecontrôlée (réacteurs nucléaires). Cela produit des corps radioactifs, les déchets nucléaires.


Fission et énergie nucléaire: réactions en chaine.


Histoire: Dans les années 30, de nombreuxscientifiques bombardent l’uranium de neutronsdans l’idée de produire de nouveaux élémentsencore plus lourd (transuraniens). Enrico Fermiobtient le prix Nobel en 1938 pour sa découverte denouveaux éléments radioactifs, dont les numérosatomique sont 93 et 94: l'ausénium et l'hespérium!!! FAUXQuelques jours plus tard à Berlin, Otto Hahnreproduit l’expérience et envoie les résultats à LiseMeitner qui s’est réfugié en Suède. L’expérienceproduit des éléments plus léger comme le baryumqu’elle explique par la fission de l’uranium-235.A Paris, Frédéric Joliot confirme la présence deproduit de fission ainsi que la présence de neutronstrès rapide. Il imagine la possibilité de produire uneréaction en chaine produisant beaucoup d’énergie !!Parti à Chicago, Fermi réalise avec Szilard lapremière pile atomique en 1942 puis participe auprojet MANHATTAN qui mènera aux bombesatomiques d’Hiroshima et Nagasaki en 1945.

Abondance et enrichissement: l’uranium-235 a une abondance de 0.7 % parrapport à l’uranium-238. La majorité descentrales nucléaires utilisent un uraniumenrichi à 3 % en 235U.Pour les applications militaires,l’enrichissement nécessaire est de 80 %.Le 6 Aout 1945, 64 kg d’uranium enrichiséparés en deux parties fut largué audessus du Japon.

La fission correspond à la capitulation de la force nucléaire devant la répulsion des charges des protons.

Fission nucléaire: Une énergie considérable


La masse des produits de fission est inférieur à celle de l’uranium-235. La différence de masse correspond à l’énergie libéré par le processus de fission.

Fission nucléaire: Les bombes de 1945


Little Boy et Fat ManLes Etats-Unis disposaient de 3 bombes en juillet 1945 : deux au plutonium et une àl'uranium. La bombe à l'uranium ne demandait pas d'être testée en raison de larelative simplicité du dispositif de mise à feu. Par contre la mise au point des bombesau plutonium posait des défis technologiques. Ce fut donc une bombe au plutonium quifut l'objet du premier test atomique le 16 juillet 1945 sur le site d'Alamogordo (nom decode Trinity) à 196 km au sud d'Albuquerque, dans le désert du Nouveau Mexique.

Fission nucléaire: Essais Nucléaires

Une pratique des années 1950-1960 ...Les essais nucléaires auxquels ont procédé les grandes puissances, principalement dans lesannées 1950-1960, ont été à l'origine de rejets de matières radioactives dans l'environnementet ont causé à ce jour la plus importante dose collective d'irradiation non contrôlée. Cettecontamination radioactive dure encore, bien qu'atténuée par le temps.


La plus puissante explosion est celle d'une bombe soviétique de 50 mégatonnes

Produire de l’énergie à partir de la fission : Réacteurs Nucléaires


Les réactions en chaîne productricesd'énergie se produisent dans lesassemblages de combustibles. L'eau quicircule sous pression (150 atmosphères)entre les assemblages sert à évacuer lachaleur des réactions de fission et à ralentirles neutrons pour qu'ils entretiennent laréaction en chaîne. Un cœur de réacteur de0,9 Gigawatt de puissance électriquecontient 157 assemblages de combustibles,41448 crayons et 11 273 856 pastillesd'oxyde d'uranium enrichi.

Centrale de Paluel, en Haute-Normandie.Composée de quatre gros réacteurs d'unepuissance de 1,3 Gigawatts électriques.Il y a en 58 en France (78 % del’électricité) et environs 430 dans lemonde (17 % de l’électricité).

Les accidents nucléaires:


Three Mile Island (1979)La surchauffe du réacteur qui en résultacausa la fusion du cœur, mais l'enceintede confinement du bâtiment réacteur nefut pas affectée. Faible rejet.

Accident de Tchernobyl (1986)Les opérateurs désactivèrentmalencontreusement les systèmes de sécuritélors d’un essai à faible puissance alors que leréacteur (type RBMK) était instable.Une violente explosion souleva la dalle couvrantle réacteur. Puis la grande quantité de graphitequi servait à ralentir les neutrons prit feu.L'absence d'une enceinte de sécurité extérieurea aggravé son ampleur. Environ 4 % dessubstances radioactives contenues dans leréacteur furent rejetées dans l'atmosphère, dont50 % du césium et de l'iode et 100 % du xénon.Le nuage radioactif s'éleva à 10 000 mètresd'altitude.

Les accidents nucléaires:


Fukushima (2011)

Le 11 mars 2011, la sûreté desréacteurs nucléaires a subi lebaptême du feu d’un cataclysmemajeur : un tremblement de terrede magnitude 8,9 suivi d’untsunami qui a ravagé les côtes duJapon, causant près de 30 000morts et disparus.

C’est un accident de refroidissement comme celui survenu en 1979 à ThreeMile Island aux Etats-Unis. Il n'y a pas eu d'explosion atomique! Lesréacteurs se sont arrêtés automatiquement lors du tremblement de terre etavec eux les fissions nucléaires. Mais les désintégrations radioactivescontinuent de dégager de la chaleur. Il est impératif de refroidir. Or la vaguedu tsunami a endommagé et inondé les circuits de refroidissement etinstallations de secours, conduisant à une perte totale des alimentationsélectriques et des moyens de refroidissement principaux durant de longuesheures.

Fission nucléaire: De gros noyaux déstabilisés par des neutrons ...

Fissions récentes ou anciennes ...

Les produits radioactifs relâchés par une bombe atomique et lors d'un accident deréacteur sont différents. Lors d'une explosion atomique, la fission vient de seproduire : des fragments frais sont relâchés. Ces fragments sont extraordinairementradioactifs en raison de périodes très courtes, comme ceux de la cascade dufragment à 143 nucléons de la figure. Lors d'un accident de réacteur, la plupart desfissions sont vieilles de plusieurs mois ou années. Les noyaux radioactifs subsistantsproviennent de cascades contenant des radioéléments qui vivent longtemps commele strontiun-90 de la cascade du bas dont la période est de 29 ans. Pour desradioéléments comme l'iode-131 dont la période est de 8 jours, leur présenceprovient de fissions récentes.


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