Réactions nucléaires provoquées

Le cours

1. Stabilité des noyaux : défaut de masse et énergie de liaison\n\nDéfaut de masse $\\Delta m$ : Pour un noyau $^{A}_{Z}X$, la masse du noyau $m_{noyau}$ est inférieure à la somme des masses de ses nucléons séparés ($Z$ protons et $N=A-Z$ neutrons).\n$$\\Delta m = Z \\, m_p + N \\, m_n - m_{noyau}$$\n\nÉnergie de liaison $E_\\ell$ : C'est l'énergie qu'il faudrait fournir pour séparer le noyau en ses nucléons isolés. D'après la relation d'Einstein $E = \\Delta m \\, c^2$, on a :\n$$E_\\ell = \\Delta m \\, c^2$$\nPlus $E_\\ell$ est grande, plus le noyau est stable.\n\nÉnergie de liaison par nucléon $E_a$ : C'est un indicateur de stabilité plus pertinent.\n$$E_a = \\frac{E_\\ell}{A} = \\frac{\\Delta m \\, c^2}{A}$$\n\nCourbe d'Aston : Représente $E_a$ en fonction du nombre de masse $A$.\n- Pour les noyaux légers ($A < 30$), $E_a$ croît rapidement.\n- Un maximum est atteint pour le fer $^{56}_{26}Fe$ ($E_a \\approx 8,8 \\, MeV/nucléon$). C'est le noyau le plus stable.\n- Pour les noyaux lourds ($A > 56$), $E_a$ décroît lentement.\n\nConséquence : Pour gagner en stabilité, les noyaux peuvent évoluer de deux manières :\n1. Fission : Un noyau lourd ($A$ grand) se scinde en noyaux plus légers, situés plus près du pic de stabilité.\n2. Fusion : Deux noyaux légers ($A$ petit) s'assemblent pour former un noyau plus lourd, plus stable (plus proche du pic).\n\nDans les deux cas, la réaction libère de l'énergie car les produits finaux ont une énergie de liaison par nucléon plus élevée en moyenne que les noyaux initiaux.\n\nDescription du schéma 1 : Courbe d'Aston (énergie de liaison par nucléon)\nReprésenter un graphique avec le nombre de masse $A$ en abscisse (de 0 à ~250) et l'énergie de liaison par nucléon $E_a$ (en MeV) en ordonnée (de 0 à ~9). Tracer une courbe qui monte rapidement, passe par un maximum arrondi vers $A=56$ ($E_a \\approx 8,8 MeV$), puis décroît lentement. Indiquer des points clés : Deutérium ($^{2}_{1}H$), Hélium ($^{4}_{2}He$), Fer ($^{56}_{26}Fe$), Uranium ($^{238}_{92}U$). Ajouter des flèches : une flèche partant de l'uranium (gauche du pic) vers des noyaux de masse moyenne (fission), et deux flèches partant de noyaux légers (deutérium, tritium) vers l'hélium (fusion). Légender : "Zone de la fusion", "Pic de stabilité (Fe)", "Zone de la fission".\n\n## 2. La fission nucléaire\n\nDéfinition : Réaction au cours de laquelle un noyau lourd (ex : uranium 235, plutonium 239) absorbe un neutron, devient instable et se scinde en deux noyaux plus légers (les produits de fission), avec émission de 2 ou 3 neutrons et libération d'une grande quantité d'énergie.\n\nExemple type : Fission de l'uranium 235 par un neutron thermique (lent) :\n$$^{235}_{92}U + ^{1}_{0}n \\rightarrow ^{236}_{92}U^* \\rightarrow ^{141}_{56}Ba + ^{92}_{36}Kr + 3\\,^{1}_{0}n + \\text{énergie}$$\nIl existe de nombreuses combinaisons possibles de produits de fission.\n\nCaractéristiques :\n- Réaction en chaîne : Les neutrons émis peuvent provoquer à leur tour de nouvelles fissions.\n- Contrôle : On utilise des barres de contrôle (bore, cadmium) qui absorbent les neutrons pour réguler la réaction.\n- Criticité : La réaction est dite critique si un neutron de chaque fission provoque en moyenne une nouvelle fission (puissance constante).\n\nApplications :\n- Réacteurs nucléaires : Production d'électricité (environ 10% de l'électricité mondiale). La chaleur dégagée par la fission chauffe un fluide caloporteur qui produit de la vapeur pour actionner une turbine.\n- Armes nucléaires (bombes A) : Réaction en chaîne non contrôlée, libération explosive d'énergie.\n\n## 3. La fusion nucléaire\n\nDéfinition : Réaction au cours de laquelle deux noyaux légers s'assemblent pour former un noyau plus lourd, avec libération d'énergie.\n\nConditions : Les noyaux, positifs, se repoussent fortement (interaction coulombienne). Pour qu'ils fusionnent, il faut les rapprocher à très courte distance (de l'ordre du fm) où l'interaction forte attractive prend le dessus. Cela nécessite des températures extrêmement élevées (plusieurs dizaines ou centaines de millions de degrés) pour donner aux noyaux assez d'énergie cinétique pour vaincre la répulsion. On parle de plasma.\n\nExemples (réactions du cycle proton-proton dans le Soleil et des réacteurs de recherche) :\n- Fusion deutérium-tritium (la plus « facile ») :\n $$^{2}_{1}H + ^{3}_{1}H \\rightarrow ^{4}_{2}He + ^{1}_{0}n + 17,6 \\, MeV$$\n- Fusion deutérium-deutérium :\n $$^{2}_{1}H + ^{2}_{1}H \\rightarrow ^{3}_{2}He + ^{1}_{0}n + 3,3 \\, MeV$$\n\nApplications et défis :\n- Étoiles : Le Soleil tire son énergie de la fusion (cycle proton-proton).\n- Armes nucléaires (bombes H) : Utilisent une bombe A comme détonateur pour atteindre les conditions de fusion.\n- Réacteurs à fusion contrôlée (ITER) : En recherche, immense défi technologique (confinement magnétique ou inertiel, chauffage du plasma). Avantages potentiels : combustible abondant (deutérium dans l'eau de mer), peu de déchets radioactifs à vie longue, pas de risque d'emballement.\n\nDescription du schéma 2 : Comparaison schématique fission et fusion\nReprésenter deux schémas côte à côte. À gauche, "Fission" : Dessiner un gros noyau (U) qui absorbe un neutron (n), devient instable (vibration) et se casse en deux noyaux moyens + 3 neutrons. Flèches montrant l'énergie libérée. À droite, "Fusion" : Dessiner deux petits noyaux (D et T) qui se rapprochent avec difficulté (flèches de répulsion coulombienne), puis s'assemblent en un noyau d'hélium plus gros + un neutron. Flèche montrant l'énergie libérée. Légender : "Noyau lourd", "Neutron", "Produits de fission", "Noyaux légers", "Noyau fusionné", "Énergie".\n\n## 4. Applications et dangers de la radioactivité\n\nApplications bénéfiques :\n- Production d'électricité (fission).\n- Médecine :\n - Diagnostic : Imagerie (scintigraphie, TEP) avec des traceurs radioactifs (technétium 99m, fluor 18).\n - Thérapie : Radiothérapie (rayons X, γ, électrons) pour détruire les cellules cancéreuses ; curiethérapie (sources implantées).\n- Industrie : Stérilisation des instruments médicaux et des aliments (rayons γ), contrôle non destructif (gammagraphie), jauges de niveau ou d'épaisseur.\n- Archéologie et géologie : Datation ($^{14}C$, $^{40}K/^{40}Ar$).\n\nDangers et protection :\n- Effets biologiques : L'ionisation provoquée par les rayonnements peut endommager l'ADN, entraînant des brûlures, des cancers, des maladies génétiques ou la mort à forte dose.\n- Principes de radioprotection :\n - Distance : L'intensité décroît avec le carré de la distance.\n - Écran : Matériaux appropriés (plomb pour γ, verre/plastique pour β).\n - Temps : Limiter la durée d'exposition.\n- Déchets radioactifs : Produits de fission et éléments transuraniens sont très radioactifs et à vie longue. Leur stockage géologique profond est un enjeu majeur.\n- Accidents : Tchernobyl, Fukushima (contamination de l'environnement, évacuations).\n\n## 5. Enjeux pour la Côte d'Ivoire\n\n- Mix énergétique : Évaluation de l'option nucléaire (fission) pour réduire la dépendance aux hydrocarbures et à l'hydraulique (sécheresse).\n- Formation : Développement de compétences en physique nucléaire, radioprotection et sûreté.\n- Médecine nucléaire : Développement des services de diagnostic et de traitement dans les grands hôpitaux.\n- Gestion des sources : Renforcement du cadre réglementaire pour l'utilisation des sources radioactives dans l'industrie et la médecine.