Réaction nucléaire (NR) - un processus dans lequel le noyau d'un atome change en s'écrasant ou en se combinant avec le noyau d'un autre atome. Ainsi, elle doit conduire à la transformation d'au moins un nucléide en un autre. Parfois, si un noyau interagit avec un autre noyau ou une autre particule sans changer la nature d'aucun nucléide, le processus est appelé diffusion nucléaire. Les plus notables sont peut-être les réactions de fusion des éléments légers, qui affectent la production d'énergie des étoiles et du soleil. Des réactions naturelles se produisent également dans l'interaction des rayons cosmiques avec la matière.
Réacteur nucléaire naturel
La réaction contrôlée par l'homme la plus notable est la réaction de fission qui se produit dans les réacteurs nucléaires. Ce sont des dispositifs permettant d'initier et de contrôler une réaction nucléaire en chaîne. Mais il n'y a pas que des réacteurs artificiels. Le premier réacteur nucléaire naturel au monde a été découvert en 1972 à Oklo au Gabon par le physicien français Francis Perrin.
Les conditions dans lesquelles l'énergie naturelle d'une réaction nucléaire pourrait être générée ont été prédites en 1956 par Paul Kazuo Kuroda. Le seul endroit connu demonde se compose de 16 sites dans lesquels des réactions auto-entretenues de ce type se sont produites. On pense que cela s'est produit il y a environ 1,7 milliard d'années et s'est poursuivi pendant plusieurs centaines de milliers d'années, comme en témoignent les isotopes du xénon (un gaz de fission) et des ratios variables d'U-235/U-238 (enrichissement en uranium naturel).
Fission nucléaire
Le diagramme d'énergie de liaison suggère que les nucléides d'une masse supérieure à 130 u.m. devraient se séparer spontanément les uns des autres pour former des nucléides plus légers et plus stables. Expérimentalement, les scientifiques ont découvert que les réactions de fission spontanées des éléments d'une réaction nucléaire ne se produisent que pour les nucléides les plus lourds avec un nombre de masse de 230 ou plus. Même si cela est fait, c'est très lent. La demi-vie de la fission spontanée de 238 U, par exemple, est de 10 à 16 ans, soit environ deux millions de fois plus longue que l'âge de notre planète ! Des réactions de fission peuvent être induites en irradiant des échantillons de nucléides lourds avec des neutrons thermiques lents. Par exemple, lorsque 235 U absorbe un neutron thermique, il se brise en deux particules de masse inégale et libère en moyenne 2,5 neutrons.
L'absorption du neutron 238 U induit des vibrations dans le noyau, qui le déforment jusqu'à ce qu'il se brise en fragments, tout comme une goutte de liquide peut se briser en gouttelettes plus petites. Plus de 370 nucléides filles avec des masses atomiques entre 72 et 161 amu. sont formés lors de la fission par un neutron thermique 235U, dont deux produits,illustré ci-dessous.
Les isotopes d'une réaction nucléaire, comme l'uranium, subissent une fission induite. Mais le seul isotope naturel 235 U est présent en abondance à seulement 0,72 %. La fission induite de cet isotope libère en moyenne 200 MeV par atome, soit 80 millions de kilojoules par gramme de 235 U. L'attrait de la fission nucléaire comme source d'énergie peut être compris en comparant cette valeur aux 50 kJ/g libérés lorsqu'ils sont naturels. le gaz est brûlé.
Premier réacteur nucléaire
Le premier réacteur nucléaire artificiel a été construit par Enrico Fermi et ses collègues sous le stade de football de l'Université de Chicago et mis en service le 2 décembre 1942. Ce réacteur, qui produisait plusieurs kilowatts de puissance, était constitué d'un empilement de 385 tonnes de blocs de graphite empilés en couches autour d'un réseau cubique de 40 tonnes d'uranium et d'oxyde d'uranium. La fission spontanée de 238 U ou 235 U dans ce réacteur a produit très peu de neutrons. Mais il y avait suffisamment d'uranium, donc l'un de ces neutrons a induit la fission du noyau de 235 U, libérant ainsi une moyenne de 2,5 neutrons, qui ont catalysé la fission de noyaux de 235 U supplémentaires dans une réaction en chaîne (réactions nucléaires).
La quantité de matière fissile nécessaire pour entretenir une réaction en chaîne est appelée masse critique. Les flèches vertes montrent la scission du noyau d'uranium en deux fragments de fission émettant de nouveaux neutrons. Certains de ces neutrons peuvent déclencher de nouvelles réactions de fission (flèches noires). Une partie dedes neutrons peuvent être perdus dans d'autres processus (flèches bleues). Les flèches rouges montrent des neutrons retardés qui arrivent plus tard à partir de fragments de fission radioactifs et peuvent déclencher de nouvelles réactions de fission.
Désignation des réactions nucléaires
Regardons les propriétés de base des atomes, y compris le numéro atomique et la masse atomique. Le numéro atomique est le nombre de protons dans le noyau d'un atome, et les isotopes ont le même numéro atomique mais diffèrent par le nombre de neutrons. Si les noyaux initiaux sont notés a et b, et les noyaux produits sont notés c et d, alors la réaction peut être représentée par l'équation que vous pouvez voir ci-dessous.
Quelles réactions nucléaires s'annulent pour les particules légères au lieu d'utiliser des équations complètes ? Dans de nombreuses situations, la forme compacte est utilisée pour décrire de tels processus: a (b, c) d est équivalent à a + b produisant c + d. Les particules légères sont souvent abrégées: généralement p pour proton, n pour neutron, d pour deutéron, α pour alpha ou hélium-4, β pour bêta ou électron, γ pour photon gamma, etc.
Types de réactions nucléaires
Bien que le nombre de telles réactions possibles soit énorme, elles peuvent être triées par type. La plupart de ces réactions sont accompagnées de rayonnement gamma. Voici quelques exemples:
- Diffusion élastique. Se produit lorsqu'aucune énergie n'est transférée entre le noyau cible et la particule entrante.
- Diffusion inélastique. Se produit lorsque l'énergie est transférée. La différence d'énergie cinétique est conservée dans le nucléide excité.
- Capturer les réactions. à la fois chargé etles particules neutres peuvent être capturées par les noyaux. Cela s'accompagne de l'émission de rayons ɣ. Les particules des réactions nucléaires dans la réaction de capture des neutrons sont appelées nucléides radioactifs (radioactivité induite).
- Réactions de transmission. L'absorption d'une particule, accompagnée de l'émission d'une ou plusieurs particules, est appelée réaction de transfert.
- Réactions de fission. La fission nucléaire est une réaction dans laquelle le noyau d'un atome est divisé en plus petits morceaux (noyaux plus légers). Le processus de fission produit souvent des neutrons et des photons libres (sous forme de rayons gamma) et libère de grandes quantités d'énergie.
- Réactions de fusion. Se produit lorsque deux ou plusieurs noyaux atomiques entrent en collision à très grande vitesse et se combinent pour former un nouveau type de noyau atomique. Les particules nucléaires de fusion deutérium-tritium présentent un intérêt particulier en raison de leur potentiel à fournir de l'énergie dans le futur.
- Réactions de division. Se produit lorsqu'un noyau est frappé par une particule avec suffisamment d'énergie et d'élan pour assommer quelques petits fragments ou le briser en plusieurs fragments.
- Réactions de réarrangement. C'est l'absorption d'une particule, accompagnée de l'émission d'une ou plusieurs particules:
- 197Au (p, d) 196mAu
- 4He (la, p) 7Li
- 27Al (a, n) 30P
- 54Fe (a, d) 58Co
- 54Fe (a, 2 n) 56Ni
- 54Fe (32S, 28Si) 58Ni
Différentes réactions de réarrangement modifient le nombre de neutrons et le nombre de protons.
Désintégration nucléaire
Les réactions nucléaires se produisent lorsqu'un atome instable perd de l'énergie parradiation. Il s'agit d'un processus aléatoire au niveau des atomes individuels, car selon la théorie quantique, il est impossible de prédire quand un atome individuel se désintégrera.
Il existe plusieurs types de désintégration radioactive:
- Radioactivité alpha. Les particules alpha sont constituées de deux protons et de deux neutrons liés par une particule identique à un noyau d'hélium. Du fait de sa très grande masse et de sa charge, il ionise fortement le matériau et a une portée très courte.
- Radioactivité bêta. Il s'agit de positrons ou d'électrons à haute énergie et à grande vitesse émis par certains types de noyaux radioactifs, tels que le potassium-40. Les particules bêta ont une plus grande plage de pénétration que les particules alpha, mais encore beaucoup moins que les rayons gamma. Les particules bêta éjectées sont une forme de rayonnement ionisant, également connu sous le nom de rayons bêta de réaction nucléaire en chaîne. La production de particules bêta est appelée désintégration bêta.
- Radioactivité gamma. Les rayons gamma sont des rayonnements électromagnétiques de très haute fréquence et sont donc des photons de haute énergie. Ils se forment lorsque les noyaux se désintègrent lorsqu'ils passent d'un état de haute énergie à un état inférieur appelé désintégration gamma. La plupart des réactions nucléaires sont accompagnées de rayonnement gamma.
- Émission de neutrons. L'émission de neutrons est un type de désintégration radioactive de noyaux contenant un excès de neutrons (en particulier des produits de fission), dans lequel le neutron est simplement éjecté du noyau. Ce typele rayonnement joue un rôle clé dans le contrôle des réacteurs nucléaires car ces neutrons sont retardés.
Énergie
La valeur Q de l'énergie d'une réaction nucléaire est la quantité d'énergie libérée ou absorbée pendant la réaction. C'est ce qu'on appelle le bilan énergétique ou la valeur Q de la réaction. Cette énergie est exprimée comme la différence entre l'énergie cinétique du produit et la quantité de réactif.
Vue générale de la réaction: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), où x et X sont des réactifs, et y et Y sont les produits de réaction, qui peuvent déterminer l'énergie d'une réaction nucléaire, Q est le bilan énergétique.
Q-value NR fait référence à l'énergie libérée ou absorbée lors d'une réaction. On l'appelle aussi bilan énergétique NR, qui peut être positif ou négatif selon la nature.
Si la valeur Q est positive, la réaction sera exothermique, également appelée exoergique. Elle libère de l'énergie. Si la valeur Q est négative, la réaction est endoergique ou endothermique. De telles réactions sont réalisées en absorbant de l'énergie.
En physique nucléaire, ces réactions sont définies par la valeur Q, comme la différence entre la somme des masses des réactifs initiaux et des produits finaux. Elle est mesurée en unités d'énergie MeV. Considérez une réaction typique dans laquelle le projectile a et la cible A cèdent la place à deux produits B et b.
Cela peut s'exprimer ainsi: a + A → B + B, ou même dans une notation plus compacte - A (a, b) B. Types d'énergies dans une réaction nucléaire et signification de cette réactiondéterminé par la formule:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, qui coïncide avec l'excès d'énergie cinétique des produits finaux:
Q=T final - T initial
Pour les réactions dans lesquelles il y a une augmentation de l'énergie cinétique des produits, Q est positif. Les réactions Q positives sont dites exothermiques (ou exogènes).
Il y a une libération nette d'énergie, puisque l'énergie cinétique de l'état final est supérieure à celle de l'état initial. Pour les réactions dans lesquelles on observe une diminution de l'énergie cinétique des produits, Q est négatif.
Demi-vie
La demi-vie d'une substance radioactive est une constante caractéristique. Il mesure le temps nécessaire pour qu'une quantité donnée de matière soit réduite de moitié par désintégration et donc par rayonnement.
Les archéologues et les géologues utilisent la demi-vie à ce jour sur des objets organiques dans un processus connu sous le nom de datation au carbone. Au cours de la désintégration bêta, le carbone 14 est converti en azote 14. Au moment de la mort, les organismes cessent de produire du carbone 14. Comme la demi-vie est constante, le rapport du carbone 14 à l'azote 14 fournit une mesure de l'âge de l'échantillon.
Dans le domaine médical, les sources d'énergie des réactions nucléaires sont les isotopes radioactifs du cob alt 60, qui a été utilisé pour la radiothérapie pour réduire les tumeurs qui seront ensuite retirées chirurgicalement, ou pour tuer les cellules cancéreuses inopérables.tumeurs. Lorsqu'il se désintègre en nickel stable, il émet deux énergies relativement élevées - les rayons gamma. Aujourd'hui, il est remplacé par des systèmes de radiothérapie par faisceau d'électrons.
Demi-vie isotopique de certains échantillons:
- oxygène 16 - infini;
- uranium 238 - 4 460 000 000 ans;
- uranium 235 - 713 000 000 ans;
- carbone 14 - 5 730 ans;
- cob alt 60 - 5, 27 ans;
- argent 94 - 0,42 seconde.
Dating au radiocarbone
À un rythme très régulier, le carbone 14 instable se désintègre progressivement en carbone 12. Le rapport de ces isotopes de carbone révèle l'âge de certains des plus anciens habitants de la Terre.
La datation au radiocarbone est une méthode qui fournit des estimations objectives de l'âge des matériaux à base de carbone. L'âge peut être estimé en mesurant la quantité de carbone 14 présente dans un échantillon et en la comparant à une référence standard internationale.
L'impact de la datation au radiocarbone sur le monde moderne en a fait l'une des découvertes les plus importantes du XXe siècle. Les plantes et les animaux assimilent le carbone 14 du dioxyde de carbone tout au long de leur vie. Lorsqu'ils meurent, ils cessent d'échanger du carbone avec la biosphère et leur teneur en carbone 14 commence à diminuer à un rythme déterminé par la loi de la désintégration radioactive.
La datation au radiocarbone est essentiellement une méthode de mesure de la radioactivité résiduelle. En connaissant la quantité de carbone 14 restant dans l'échantillon, vous pouvez savoirl'âge de l'organisme au moment de sa mort. Il convient de noter que les résultats de la datation au radiocarbone indiquent quand l'organisme était vivant.
Méthodes de base pour mesurer le radiocarbone
Il existe trois méthodes principales utilisées pour mesurer le carbone 14 dans un calcul proportionnel d'échantillonneur donné, un compteur à scintillation liquide et une spectrométrie de masse par accélérateur.
Le comptage proportionnel des gaz est une technique de datation radiométrique courante qui prend en compte les particules bêta émises par un échantillon donné. Les particules bêta sont des produits de désintégration du radiocarbone. Dans cette méthode, l'échantillon de carbone est d'abord converti en gaz carbonique avant d'être mesuré dans des compteurs proportionnels de gaz.
Le comptage du liquide de scintillation est une autre méthode de datation au radiocarbone qui était populaire dans les années 1960. Dans cette méthode, l'échantillon est sous forme liquide et un scintillateur est ajouté. Ce scintillateur crée un flash de lumière lorsqu'il interagit avec une particule bêta. Le tube d'échantillon est passé entre deux photomultiplicateurs et lorsque les deux appareils enregistrent un flash de lumière, un comptage est effectué.
Les avantages de la science nucléaire
Les lois des réactions nucléaires sont utilisées dans un large éventail de branches de la science et de la technologie, telles que la médecine, l'énergie, la géologie, l'espace et la protection de l'environnement. La médecine nucléaire et la radiologie sont des pratiques médicales qui impliquent l'utilisation de rayonnements ou de radioactivité pour le diagnostic, le traitement et la prévention.maladies. Alors que la radiologie est utilisée depuis près d'un siècle, le terme « médecine nucléaire » a commencé à être utilisé il y a environ 50 ans.
L'énergie nucléaire est utilisée depuis des décennies et est l'une des options énergétiques à la croissance la plus rapide pour les pays qui recherchent la sécurité énergétique et des solutions d'économie d'énergie à faibles émissions.
Les archéologues utilisent un large éventail de méthodes nucléaires pour déterminer l'âge des objets. Des artefacts tels que le Suaire de Turin, les manuscrits de la mer Morte et la couronne de Charlemagne peuvent être datés et authentifiés à l'aide de techniques nucléaires.
Les techniques nucléaires sont utilisées dans les communautés agricoles pour lutter contre les maladies. Les sources radioactives sont largement utilisées dans l'industrie minière. Par exemple, ils sont utilisés dans le contrôle non destructif des blocages dans les canalisations et les soudures, dans la mesure de la densité du matériau poinçonné.
La science nucléaire joue un rôle précieux dans la compréhension de l'histoire de notre environnement.
