Transformations nucléaires

1Le noyau, l’élément, les isotopes

Notation. Un noyau s’écrit $^{A}_{Z}$X : $Z$ est le nombre de charge (ou numéro atomique), c’est le nombre de protons ; $A$ est le nombre de masse, c’est le nombre de nucléons (protons et neutrons). Le noyau contient donc $N=A-Z$ neutrons.

Définition. Deux noyaux isotopes ont le même nombre de charge $Z$ et des nombres de masse $A$ différents : ce sont des noyaux du même élément chimique, mais ils n’ont pas le même nombre de neutrons.

Remarque. Des isotopes ont les mêmes propriétés chimiques (même cortège électronique), mais des propriétés nucléaires différentes : l’uranium 235 est fissile, pas l’uranium 238.

2Trois types de transformations

Définition. Au cours d’une transformation nucléaire, les noyaux eux-mêmes sont modifiés : l’élément chimique peut changer. C’est le seul cas où un élément chimique n’est pas conservé.

3Équation d’une réaction nucléaire

Propriété — lois de conservation. Dans l’équation d’une réaction nucléaire, il y a conservation du nombre de masse $A$ et du nombre de charge $Z$ : la somme des $A$ et la somme des $Z$ sont les mêmes avant et après la flèche.

Notation. Particules usuelles : neutron $^{1}_{0}$n • proton $^{1}_{1}$H • noyau d’hélium $^{4}_{2}$He • électron $^{0}_{-1}$e • positon $^{0}_{+1}$e (de même masse que l’électron, mais de charge $+e$).

Méthode — compléter une équation. écrire l’équation avec le noyau inconnu $^{A}_{Z}$X ; calculer $A$ par la somme des nombres de masse, $Z$ par la somme des nombres de charge ; identifier l’élément grâce à $Z$ dans le tableau périodique.

4La fission

Définition. La fission est la rupture d’un noyau lourd, provoquée par le choc d’un neutron, en deux noyaux plus légers, avec émission de deux ou trois neutrons et libération d’une grande énergie.

$\ce{^{235}_{92}U + ^{1}_{0}n -> ^{140}_{54}Xe + ^{94}_{38}Sr + 2 ^{1}_{0}n}$

Propriété. Les neutrons émis peuvent provoquer de nouvelles fissions : c’est la réaction en chaîne. Dans un réacteur, elle est contrôlée par des barres absorbant une partie des neutrons ; dans une bombe, elle n’est pas contrôlée et s’emballe.

5La fusion

Définition. La fusion est l’union de deux noyaux légers en un noyau plus lourd, avec libération d’une grande énergie.

$\ce{^{2}_{1}H + ^{3}_{1}H -> ^{4}_{2}He + ^{1}_{0}n}$

Propriété. Les deux noyaux sont chargés positivement et se repoussent : la fusion n’est possible qu’à très haute température : ${15}$ millions de degrés Celsius au cœur du Soleil, ${150}$ millions dans le réacteur ITER.

Remarque. L’énergie du Soleil vient de la fusion de l’hydrogène en hélium, de bilan $\ce{4 ^{1}_{1}H -> ^{4}_{2}He + 2 ^{0}_{+1}e}$.

6L’énergie nucléaire

Propriété. À masse égale, une transformation nucléaire libère environ un million de fois plus d’énergie qu’une transformation chimique : ${1{,}0\,\mathrm{kg}}$ d’uranium 235 fissionné libère ${8{,}2\times10^{13}\,\mathrm{J}}$, contre ${3{,}0\times10^{7}\,\mathrm{J}}$ pour ${1{,}0\,\mathrm{kg}}$ de charbon brûlé.

Propriété — centrale nucléaire. La fission chauffe l’eau du cœur (circuit primaire) $\rightarrow$ dans le générateur de vapeur, cette eau vaporise l’eau d’un second circuit $\rightarrow$ la vapeur fait tourner la turbine $\rightarrow$ l’alternateur fournit l’énergie électrique. En fonctionnement, une centrale nucléaire ne rejette pas de $\ce{CO2}$, mais elle produit des déchets radioactifs.

7Savoir-faire du chapitre

8Exemples types