Réactions nucléaires provoquées

Le cours

1. Introduction\n\nLes réactions nucléaires provoquées sont des transformations de noyaux induites par l'interaction avec des particules (neutrons, protons, noyaux légers). Contrairement à la radioactivité spontanée, elles nécessitent un apport d'énergie initial ou des conditions particulières. Deux processus majeurs libèrent de l'énergie : la fission (division de noyaux lourds) et la fusion (union de noyaux légers).\n\nDescription du schéma 1: Comparaison énergétique. Représenter graphiquement l'énergie de liaison par nucléon en fonction du nombre de masse A. Courbe en cloche avec maximum vers A=56 (fer). Montrer que : 1) La fission exploite la descente de la partie droite (Uranium → produits de fission). 2) La fusion exploite la montée de la partie gauche (Hydrogène → Hélium). Indiquer les énergies libérées (~200 MeV/fission, ~17 MeV/fusion de deutérium-tritium).\n\n## 2. Défaut de masse et énergie de liaison\n\n### 2.1 Défaut de masse\nLa masse d'un noyau est inférieure à la somme des masses de ses nucléons séparés. Cette différence est le défaut de masse Δm :\n$$\\Delta m = Z \\cdot m_p + N \\cdot m_n - m_{\\text{noyau}}$$\n\nOù m_p = 1,00728 u, m_n = 1,00866 u.\n\n### 2.2 Équivalence masse-énergie (Einstein)\n$$E = m c^2$$\n\nLe défaut de masse correspond à l'énergie de liaison Eℓ qui maintient les nucléons ensemble :\n$$E_\\ell = \\Delta m \\cdot c^2$$\n\nEn unités pratiques :\n1 u = 931,5 MeV/c²\nDonc : Eℓ (en MeV) = Δm (en u) × 931,5\n\n### 2.3 Énergie de liaison par nucléon\n$$E_\\ell^{\\text{par nucléon}} = \\frac{E_\\ell}{A} = \\frac{\\Delta m \\cdot c^2}{A}$$\n\nCette grandeur mesure la stabilité du noyau : plus elle est élevée, plus le noyau est stable.\nMaximum pour le fer ⁵⁶Fe (~8,8 MeV/nucléon).\n\n## 3. Fission nucléaire\n\n### 3.1 Principe\nUn noyau lourd (A > 230) absorbe un neutron et se scinde en deux noyaux plus légers (produits de fission) avec émission de 2-3 neutrons et libération d'énergie.\n\nExemple typique avec l'uranium 235 :\n$$^{235}_{92}U + n \\rightarrow ^{236}_{92}U^* \\rightarrow ^{141}_{56}Ba + ^{92}_{36}Kr + 3n + \\text{énergie}$$\n\nIl existe de nombreuses voies de fission possibles.\n\n### 3.2 Caractéristiques\n1. Énergie libérée : ~200 MeV par fission (comparé à ~4 eV pour une réaction chimique !)\n2. Neutrons émis : 2-3 en moyenne, nécessaires pour entretenir la réaction en chaîne\n3. Produits de fission : Noyaux radioactifs (déchets)\n4. Masse critique : Quantité minimale pour entretenir la réaction en chaîne\n\nDescription du schéma 2: Réaction en chaîne. Représenter plusieurs noyaux d'uranium 235. Un neutron incident fissionne un noyau, libérant 3 neutrons. Chacun de ces neutrons fissionne à son tour un noyau, etc. Montrer l'emballement (réaction non contrôlée) et la régulation (barres de contrôle absorbant des neutrons).\n\n### 3.3 Applications\n1. Centrales nucléaires : Production d'électricité (75% en France, 0% en Côte d'Ivoire)\n2. Propulsion navale : Sous-marins, porte-avions\n3. Médecine : Production d'isotopes pour radiothérapie\n4. Recherche : Réacteurs de recherche\n\n## 4. Fusion nucléaire\n\n### 4.1 Principe\nDeux noyaux légers s'unissent pour former un noyau plus lourd, avec libération d'énergie.\n\nExemples :\n1. Cycle proton-proton (Soleil) :\n$$p + p \\rightarrow d + e^+ + \\nu_e + 0,42 \\text{ MeV}$$\n$$d + p \\rightarrow ^{3}_{2}He + \\gamma + 5,49 \\text{ MeV}$$\n$$^{3}_{2}He + ^{3}_{2}He \\rightarrow ^{4}_{2}He + 2p + 12,86 \\text{ MeV}$$\n\n2. Fusion deutérium-tritium (projet ITER) :\n$$^{2}_{1}H + ^{3}_{1}H \\rightarrow ^{4}_{2}He + n + 17,6 \\text{ MeV}$$\n\n### 4.2 Conditions nécessaires\n1. Température élevée : ~10⁷ K pour vaincre la répulsion coulombienne\n2. Densité suffisante : Pour augmenter la probabilité de collisions\n3. Confinement : Magnétique (tokamak) ou inertiel (laser)\n\n### 4.3 Avantages par rapport à la fission\n1. Combustible abondant : Deutérium dans l'eau de mer, lithium pour le tritium\n2. Peu de déchets radioactifs : Pas de produits de fission à vie longue\n3. Sécurité intrinsèque : Pas de réaction en chaîne incontrôlable\n4. Pas de gaz à effet de serre\n\n## 5. Applications de la radioactivité\n\n### 5.1 Médecine\n- Diagnostic : Scintigraphie (technétium 99m), PET-scan (fluor 18)\n- Thérapie : Radiothérapie (cobalt 60, iridium 192), curiethérapie\n- Stérilisation : Matériel médical par rayonnement γ\n\n### 5.2 Industrie\n- Contrôle non destructif : Gammagraphie des soudures\n- Jauges : Mesure de niveaux, d'épaisseurs\n- Datation : Archéologie, géologie\n- Tracers : Étude de processus industriels\n\n### 5.3 Énergie\n- Production d'électricité : Centrales nucléaires (fission)\n- Batteries : Générateurs thermoélectriques à radioisotopes (sondes spatiales)\n\n### 5.4 Agriculture\n- Mutations induites : Création de nouvelles variétés de plantes\n- Conservation : Irradiation des aliments\n- Étude des sols : Tracers pour l'érosion, l'absorption\n\n## 6. Dangers et protection\n\n### 6.1 Types d'exposition\n1. Irradiation : Exposition externe aux rayonnements\n2. Contamination : Incorporation de substances radioactives (ingestion, inhalation)\n\n### 6.2 Effets biologiques\n- Déterministes : Au-delà d'un seuil (brûlures, stérilité, décès)\n- Stochastiques : Probabilistes (cancers, mutations génétiques)\n\n### 6.3 Déchets radioactifs\nClassés par activité et durée de vie :\n1. FA-VL : Faible activité, vie courte (centaines d'années)\n2. MA-VL : Moyenne activité, vie courte\n3. FA-VL : Faible activité, vie longue (millions d'années)\n4. HA : Haute activité (produits de fission, actinides mineurs)\n\n### 6.4 Principes de radioprotection\nALARA : As Low As Reasonably Achievable\n- Distance : I ∝ 1/d²\n- Temps : Limiter la durée\n- Écrans : Plomb (γ), plexiglas (β), eau (neutrons)\n\n## 7. Situation en Côte d'Ivoire\n\n### 7.1 Utilisations actuelles\n1. Médecine : Radiothérapie au CHU de Treichville\n2. Industrie : Gammagraphie dans le BTP\n3. Recherche : Réacteur de recherche (projet)\n4. Agriculture : Centre national de recherches agronomiques\n\n### 7.2 Projets\n- Centrale nucléaire : Études de faisabilité pour diversification énergétique\n- Médecine nucléaire : Développement des services d'imagerie\n- Formation : Masters en physique nucléaire\n\n### 7.3 Réglementation\n- Autorité de sûreté : Agence nationale de radioprotection\n- Contrôles : Importation, utilisation, élimination des sources\n- Formation : Personnel exposé\n\n## 8. Exercices énergétiques\n\n1. Calculer l'énergie libérée par la fission d'un noyau d'uranium 235 :\n²³⁵U + n → ¹⁴¹Ba + ⁹²Kr + 3n\nMasses : ²³⁵U = 235,0439 u, n = 1,00866 u, ¹⁴¹Ba = 140,9144 u, ⁹²Kr = 91,9263 u.\n\n2. Comparer avec l'énergie d'une tonne de pétrole (42 GJ). Combien de fissions pour équivaloir ?\n\n3. Pour la fusion D-T : ²H = 2,01410 u, ³H = 3,01605 u, ⁴He = 4,00260 u, n = 1,00866 u. Calculer l'énergie libérée.\n\n4. Quelle masse d'uranium 235 équivaut à l'énergie d'une tonne de pétrole ?