L'utilisation de l'Energie nucléaire racontée à l'équipage...

Ce post aborde l’aspect le plus moderne de la propulsion des navires, la propulsion nucléaire, qui met en jeu une énergie libérée par les noyaux des atomes de certains éléments radioactifs : l’Uranium et/ou le Plutonium. De nombreux navires dans le monde sont équipés d’un système de propulsion faisant appel à l’énergie nucléaire. Il ne s’agit pas de l’utilisation directe de ce type d’énergie, mais en fait ce terme signifie que la chaleur produite par un réacteur nucléaire se substitue à celle que produirait une chaudière classique brûlant des hydrocarbures, de manière à générer de la vapeur d’eau utilisée pour faire tourner des turbines. L’avantage c’est qu’il est possible de couvrir des distances considérables avec peu de combustible. Les inconvénients c’est qu’il faut protéger les personnels des radiations et que le fonctionnement produit des déchets à « durée de vie » longue qu’il faudra stocker pendant des siècles (exemple : la «période» (ou demi-vie) du Plutonium, soit le temps durant lequel il va perdre la moitié de sa masse en rayonnement, est d’environ 24.000 ans).
Dans la Marine Nationale française, un seul bâtiment de surface, le PAN «Charles De Gaulle» et plusieurs sous-marins SNLE et SNA en sont pourvus. C’est pourquoi je vais aborder le sujet de la manière la plus compréhensible et la plus simple possible, du moins je l’espère. Ceux d’entre-nous qui ont suivi une formation dans ce domaine pourront apporter les détails ou les précisions qu’ils estimeront nécessaires pour aider le plus grand nombre des marins de notre fier navire à comprendre le processus de fonctionnement des installations nucléaires de bord.
En complément, il faudra bien aborder le sujet concernant les armes nucléaires, puisque notre force de dissuation nationale à pour vecteur principal nos SNLE.

Pour enrichir mes connaissances personnelles en la matière, je suis allé à la «pêche» aux images sur différents sites français, notamment celui du Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), et européens (Joint European Torus, ITER, etc.) mais aussi sur le site de l’encyclopédie en ligne WikipédiA. L’iconographie provient des mêmes sites, cependant j’ai utilisé des documents que j’ai moi-même réalisés et notamment les petites animations GIF. En ce qui concerne le PAN «Charles De Gaulle», j’ai trouvé les documents dans un ouvrage en trois gros volumes dont le titre est LE PORTE-AVIONS CHARLES DE GAULLE de Franck JUBELIN (le fils de l’Amiral), V.A. Roger VERCKEN, C.V. Robert FEUILLOY, I.G.E .T.A Ferdinand LE PEN, publié aux éditions S.P.E. Barthélémy

Il est nécessaire de revenir sur les principes fondamentaux de la Physique pour expliquer, le plus simplement possible, le fonctionnement d’une installation nucléaire. Alors « accrochez » vous !...

L’Univers est constitué d’îlots de matière se déplaçant dans le vide sidéral. La matière est donc l’inverse du vide, comprenant ainsi toute substance tangible : notre corps lui-même est constitué de matière. Dans la composition de la matière entrent 92 «éléments naturels» (appelés autrefois « corps simples ») dont le « numéro atomique » va de 1 pour l’Hydrogène, le plus léger, à 92 pour l’Uranium, le plus lourd. Du n° 93 au n° 114 (pour le moment), on trouve des « éléments artificiels », créés à la suite de réactions nucléaires naturelles ou provoquées, qui sont très instables et radioactifs. Toutes les formes de matière sont formées de molécules qui sont un agglomérat d’éléments sous forme d’atomes (exemple : H2O, la molécule d’eau est composée de 2 atomes d’Hydrogène et de 1 atome d’Oxygène).

Le numéro atomique d’un élément est caractérisé par le nombre de protons que compte son noyau ou le nombre d’électron qui gravitent autour de celui-ci.

Les éléments ont été rangé dans un « tableau périodique » par le célèbre chimiste russe Dimitri Ivanovitch Mendeléïev (1834-1907) qui les a classé en trois grandes catégories et huit sous-catégories :
• Métaux
__• Métaux alcalins
__• Métaux alcalino-ferreux
__• Métaux de transition
_____• Lanthanides
_____• Actinides
• Métalloïdes
• Non-métaux
__• Chalcogènes
__• Halogènes
__• Gaz rares

Le tableau de classement périodique des éléments appelé également Table de Mendeleïev :

Un atome se présente sous une forme qui pourrait être comparée à celle du système solaire, car il comprend un noyau composé d’un ou plusieurs Protons (ou Protons et Neutrons) autour duquel gravitent des Électrons (dont le nombre est égal à celui des Protons dans le noyau), comme les planètes gravitent autour du Soleil. Les Protons et Neutrons entrant dans la composition des noyaux d’atomes, on les a nommé d’une manière générique des Nucléons. Les Protons sont des «particules composites» dont la charge unitaire est positive de valeur 1. Le «nuage» de «particules élémentaires» qui entoure le noyau est formé d’Électrons dont la charge unitaire est négative et égale à -1. Un atome est donc électriquement neutre. Toutefois, lorsque pour une raison particulière, telle une température extrêmement élevée ou une décharge électrique, un atome se trouve en déficit ou en surnombre d’électrons, on dit qu’il est ionisé et il devient donc un ion. Un atome en déficit d’électron porte une charge électrique positive et devient un cation, alors que si les électrons sont en surnombre sa charge devient négative et il devient un anion.

Représentation d'un atome de Magnésium n° atomique 12. J'ai choisi cet élément pour m'en faciliter la représentation animée et parce qu'il possède trois couches d'électrons. La couche la plus proche du noyau comporte 2 électrons, la couche intermédiaire 8 et la couche extérieure de l'atome 2 :

Première représentation statique


Seconde présentation dynamique avec les électrons en mouvement sur leurs trois orbites


Troisième présentation dynamique avec les électrons gravitant sur leurs trois orbites tournant eux-même autour du noyau


Dans la réalité les vitesses de rotation sont infiniment plus rapides. Il est même fort probable que les différents orbites des électrons tournent à des vitesses différentes ???

Un tout grand bravo et merci Daniel, mais je te previens, moi je vais m'inscrire directement en 2ème session car je ne suis pas sûr d'appréhender l'ensemble du concept, j'ai même des problèmes avec les détails.
Sans rire, bravo pour les recherches et la mise en ligne, et promis je m'y met à tête reposée. :D :D :D

Mon cher JYM,
Il est vrai que le sujet est un peu "ardu", surtout dans la description des composants de la matière, mais cette réaction nucléaire est utilisée autant pour fabriquer de l'énergie "domestiquée" que pour produire des armes dont la Marine est équipée. Alors, accroches-toi !

bon major Bonnerue tu nous fais une alarme par chute rapide des croix on passe sur batterie et on n'en parle plus.

question pour un champion??????

au fait au niveau prop c'est quoi la grosse difference en un sna et un snle

En parallèle avec chaque élément, on trouve des isotopes de cet élément qui ont le même numéro atomique que lui mais qui sont plus massifs car, en plus des Protons, leur noyau comprend des Neutrons. Les Neutrons sont, comme les Protons, des particules composites ayant une sous-structure. Cette dernière est formée de trois particules élémentaires appelées Quark qui sont liées entre-elles par la force «forte» dont le vecteur est un Boson appelé Gluon. On n’a jamais observé de Quark isolé, ils sont toujours groupés. Lorsqu’ils sont par trois, ce qui est le cas pour les Protons et les Neutrons, les particules composites qu’ils forment sont des Baryons qui sont une variété de Hadron.

Voici des animations montrant les Nucléons (Protons et Neutrons), c'est à dire les particules composites entrant dans l'architecture des noyaux atomiques :

le Proton


le Neutron


Si la charge du Proton est égale à 1, celle des Neutrons est égale à 0. L’explication en est la suivante : le Proton est composé de 2 Quarks Hauts, ou «Up» (sphères rouges), de charge + 2/3 et d’un Quark Bas, ou «Down» (sphères vertes), de charge -1/3 soit un total de 4/3 – 1/3 = 3/3 ou +1, alors que le Neutron est composé de 2 Quarks «Down» de charge -1/3 et d’un Quark «Up» de charge +2/3 soit un total de -2/3 + 2/3 = 0.

Mon cher TABLETPO83, je compte sur les sous-mariniers de l'équipage pour nous décrire les différences d'installation entre SNLE et SNA. Car, à part la puissance et le fait d'utiliser une chaufferie nucléaire, j'ignore la différence. Peut-être que certains voient leur ligne d'arbre directement entraînée par les turbines à vapeur, alors que les autres utilisent un moteur électrique alimenté par un turbo-alternateur ?

Les Nucléons sont en fait le "volume" au sein duquel s'agitent frénétiquement les particules élémentaires appelées Quark. On les représente sous une forme sphérique, mais il n'est pas exclu que ce volume puisse prendre la forme d'une cacahuète qui se déforme en permanence. On ne les a jamais vu tant leurs dimensions sont infiniment petites, on a juste observé leurs traces dans des détecteurs de physique.

Tableau des particules élémentaires :


En haut du tableau, j'ai mis, de gauche à droite, la description de la "descente" dans l'intimité de la matière. Il existe deux familles de particules élémentaires. Tout d'abord les Fermions, qui regroupent les Leptons (Électrons et Neutrinos) et les Quarks, qui entrent dans la composition des Nucléons (Protons et Neutrons). Ensuite les Bosons (Photons, Gluons et bosons intermédiaires W+, W- et Z0). Le Boson de Higgs, représenté par un fantôme, bien que prévu par la théorie, n'a pas encore été observé, on dit qu'il est hypothétique. C'est également le cas du Graviton.

Particules

Particules élémentaires :
Fermions : leptons - quarks
• Leptons : électron · muon · tauon · neutrinos - neutrinos mu - neutrinos tau
• quarks bas (down) - étrange - beauté - quarks haut (up) - charme - vérité (top)
• Bosons de jauge : photon · gluons · bosons intermédiaires W+, W- et Z0
• Hypothétiques : graviton · boson de Higgs

Particules composites :
Hadrons : baryons · mésons
• Baryons : proton · neutron · hypérons
• Mésons : pions · kaons

Pour compliquer les choses, toute matière ayant son anti-matière, les particules ont leur anti-particules (exemple : le positron (ou positon) est un électron portant une charge positive égale à 1, alors que l'anti-proton porte une charge de -1)

Dans la nature, les isotopes d’un élément sont plus courants que l’élément lui-même. Les noyaux des atomes comprennent donc pratiquement toujours des Neutrons. Si le Neutron n’a pas de charge électrique, par contre il a une masse. Les isotopes sont toujours plus lourds que l’élément de référence. Pour l’Hydrogène [H], il existe le Deutérium [2H] (noyau comprenant 1 Proton plus 1 Neutron autour duquel gravite un seul électron) qui entre dans la composition de l’ «eau lourde» (D2O) et le Tritium [3H] (noyau comprenant 1 Proton plus 2 Neutrons autour duquel gravite également 1 seul électron) qui entre dans la composition de l’ «eau tritiée» (T2O). L’Hydrogène, le Deutérium et le Tritium ont 1 pour numéro atomique. Pour l’Uranium, on parle des isotopes 235U ou 238U, ce qui signifie que leurs noyaux comportent respectivement 143 et 146 Neutrons en plus des 92 Protons initiaux. Cependant, ils ont tous deux 92 électrons qui gravitent sur 7 couches superposées (2,8,18,32,21,9,2).

L'Hydrogène et ses isotopes Deutérium et Tritium :


Lorsqu'on observe les descriptions graphiques, il est évident que dans toute matière le vide prédomine sur la fraction «tangible», puisqu'à cette échelle on ne peut dire "palpable". En proportion des dimensions d'un atome, la taille réelle des particules est beaucoup plus petite que l'échelle de celles telles que je les ai représentées.

Pour Daniel

Pour moi cher, Daniel, si nous n'avons pas le nucléaire dans cinquante voir soixante dix ans, comment vont faire nos petits enfants, il n'y aura plus de pétrole, il n'y aura pratiquement plus d'eau. ALORS !!!

Encore une fois Daniel un dossier interessant. !

Mes chers camarades, ce n'est pas facile d'aborder un tel sujet en faisant "simple", mais je vais tenter le coup en "passant à la trappe" tout ce qui est formules mathématiques. Je vais mettre le plus d'animations possibles pour que tout le monde puisse visualiser l'infiniment petit. Pour montrer la complexité de l'observation de la matière dans ses ultimes retranchements, les Physiciens ont inventés des machines gigantesques, qu'on pourrait assimiler à des super-microscopes : il s'agit d'accérateurs de particules ou de collisionneurs qui, associés à des batteries de détecteurs électroniques énormes, permettent de détecter la présence de ces particules infiniment petites. Pour citer un exemple concret, le LHC (Large Hadron Collider) en achèvement au CERN (Centre Européen de Recherche Nucléaire), situé sur la frontière franco-suisse près de Genève, fait 27 km de circonférence et est "enterré" à environ 100 mètres sous terre. Il est associé à quatre grands détecteurs de particules dont la masse est d'environ 30.000 tonnes chacun (l'un d'entre eux s'appelle ATLAS). Ces énormes installations sont abritée dans des alvéoles souterraines dont le volume et la hauteur pourraient permettre d'entreposer ND de Paris. L'anneau d'accélération du collisionneur de Hadrons (Protos, Neutrons, Hypérons, Pions et Kaons) est un tunnel de forme circulaire dont la section doit mesurer environ 3 mètres de diamètre et est équipé de deux tubes "d'accélération" dans lesquels règne un vide quasiment absolu qui passent entre les pôles de centaines d'électro-aimants supraconducteurs de géométries diverses, dont la vocation est d'accélérer et de maintenir sur leur trajectoire circulaires les particules destinées à entrer en collision. La vitesse de ces particules en fin d'accélération est proche de la vitesse de la lumière (300.000 km/seconde). Les détecteurs sont situés aux endroits où les particules incidentes se percutent. Ils permettent d'observer la production des différents types de particules secondaires créées par le choc initial. Il permettent de déterminer leur charge, leur trajectoire, la production d'énergie, etc. Bien entendu, les événements se produisant à des vitesses faramineuses et les particules qui s'en dégagent ayant des durées de vie très courtes, l'informatique permet d'engranger les millions (voire plus) de résultats, de faire éventuellement les calculs en temps réel et de produire des représentations graphiques et même des images virtuelles.

Article de WikipédiA concernant le LHC

Le LHC (Large Hadron Collider, « Grand Collisionneur Hadronique ») est le prochain grand accélérateur de particules qui sera mis en opération en 2007 au CERN en Suisse. Une fois achevé, il sera le plus grand accélérateur du monde. Il est situé dans le tunnel de 27 km de circonférence de son prédécesseur, le collisionneur LEP (Large Electron Positron). À la différence de ce dernier, des protons (une variété de hadrons) seront accélérés pour produire des collisions, au lieu des électrons ou des positrons. Ces protons seront accélérés jusqu'à une énergie de 7 TeV (pour une énergie de collision de 14 TeV). Cinq expériences seront installées sur cet accélérateur, soit Atlas, CMS, TOTEM, LHC-b et Alice. Les deux premières étudieront la physique des particules, en particulier la recherche du boson de Higgs et des particules supersymétriques, TOTEM mesurera la section efficace totale du LHC, LHC-b étudiera la violation de la symétrie CP et Alice étudiera la physique nucléaire.

Le LHC pourra également être utilisé pour accélérer des ions lourds comme le plomb (Pb) (avec une énergie de collision de 1150 TeV).

Les physiciens espèrent répondre à plusieurs questions à l’aide de ces appareils :
• Qu'est-ce que la masse ? (Nous savons comment la mesurer, mais quelle est sa nature ?)
• Quelle est l’origine de la masse ? (Plus précisement, est-ce que le boson de Higgs existe ?)
• Pourquoi les différentes particules élémentaires ont-elles des masses différentes ? (C’est-à-dire, est-ce que les particules interagissent avec le Higgs ?)
• Nous savons qu'une énorme partie de l'énergie (masse) contenue dans l'univers n'est pas constituée de la matière telle que nous la connaissons. Qu'est-ce donc ? (Qu’est-ce que la matière noire, l’énergie noire ?)
• Est-ce que la supersymétrie existe ? Et si oui quel est le modèle supersymétrique qui décrit la Nature (aujourd'hui plusieurs modèles s'affontent) ?
• Est-ce que l’antimatière est une réflexion parfaite de la matière ?
• Existe-t-il d’autres dimensions, comme le prédisent de nombreux modèles inspirés de la théorie des cordes, et si oui, peut-on les « voir » ?

Forces

L'univers est régi par quatre forces fondamentales :

La force nucléaire forte a un rayon d'action très réduit autour du noyau de l'atome, environ 10^-15 m (0.000000000000001 m) et est responsable de la cohésion du noyau (elle retient les protons collés ensemble). C'est la plus puissante des quatre forces fondamentales. Une des théories actuelles définit la force nucléaire par l'échange de particules appelées gluons.

La force nucléaire faible est 10^12 fois moins puissante que la force nucléaire forte (fnf / 100000000000) et est responsable de la désintégration de certains noyaux radioactifs. Ces désintégrations produisent des neutrons se déplaçant à haute vitesse pouvant briser l'ADN des êtres vivants, ce qui entraîne des mutations des cellules (cancers ou autre dégénérescences cellulaire).

La force électro-magnétique est la force qui, entre autres, retient les décorations sur les parois verticale de votre réfrigérateur. Elle agit sur un rayon modéré et avec une force moyenne. Un aimant possède deux pôles, un positif et un négatif, les protons de l'atome sont positifs et les électrons sont négatifs (les neutrons sont... neutres). Ce qui retient les protons au centre des atomes c'est la force nucléaire forte, force qui est plus puissante que la force électromagnétique (les protons sont positifs et des charges positives se repoussent, essayez-le avec un aimant).

La force gravitationnelle est cette force qui vous retient au sol. C'est la plus faible des quatre, mais celle dont le rayon d'action est le plus grand. Cette force maintient les galaxies unies! Il existe une formule simple pour calculer f = (GMm) / d² dans laquelle G = cts gravitationnelle soit 6*10^-11 (0,00000000006), M= masse du premier, m=masse du deuxième et d=distance entre les deux centres des masses.

Deux processus majeurs sont mis en œuvre dans l'utilisation de l'énergie nucléaire :

1) • La “fission” (séparation), qui est la brisure par une collision de neutrons avec un noyau lourd (U ou Pu) en deux ou plusieurs noyaux plus légers et la production de neutrons rapides, entraînant une libération d'énergie E suivant la formule E = mc², dans laquelle m représente la masse manquante après l'impact et c la vitesse de la lumière.

Il existe deux manières de libérer l'énergie de fission produite :
1.1 - libération totale et immédiate : bombe “A” (nucléaire)
1.2 - libération domestiquée : réacteurs de centrales nucléaires de production d'électricité, chaufferies nucléaires de propulsion navale. Seule l'énergie thermique est utilisée pour produire de la vapeur d'eau et faire tourner des turbines. Les inconvénients majeurs du processus sont la production de déchets radioactifs ayant des périodes parfois très longues (exemple : 24.000 ans pour le Plutonium) et le rayonnement radioactif ambiant.

2) • La “fusion” (association), qui est la production d'un noyau d'Hélium 4 et d'un neutron à partir du fusionnement de deux noyaux légers d'isotopes de l'Hydrogène, processus identique a celui qui est en œuvre dans le Soleil et qui libère une énergie considérable, notamment thermique, sans théoriquement produire de déchets comme c'est le cas avec la fission.

Il existe également deux manières de libérer l'énergie de fusion :
2.1 - libération instantanée : bombe “H” (thermonucléaire)
2.2 - libération domestiquée : réacteurs de fusion par production d'un plasma (gaz ionisé) à très haute température (T°>1.10^8 K soit une température comprise entre 100 et 200 millions de °C). On estime qu'il faudra encore une cinquantaine d'années avant de (peut-être) pouvoir mettre en service ce type de réacteur tellement il reste de problèmes physiques et techniques à résoudre. Jusqu'à maintenant, les prototypes en fonctionnement dans le monde (JET, Tore Supra, etc...) n'ont pas permis d'obtenir un bilan énergétique positif, ni même un auto-entretien du processus de fusion au delà de quelques minutes. Au cœur du Soleil et compte tenu de la masse, la température 14 MK<T°<15 MK est suffisante pour auto-entretenir la réaction. Sur terre et en fonction du faible volume du plasma créé et de sa grande surface d'échange, il faut générer une très haute température de 100 MK <T°< 200 MK qui a pour effet d'arracher pratiquement tous les électrons autour des noyaux en ne produisant ainsi que des ions positifs. Le plasma créé porte donc une charge globale positive et est ainsi sensible aux composantes des champs magnétiques (toroïdal et poloïdal), ce qui va permettre de le confiner dans un espace défini, en l’occurrence une chambre toroïdale (en forme d’anneau creux).

Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par convention, les noms d'unité sont des noms communs et s'écrivent en minuscule («kelvin» et non «Kelvin»). Pour clarifier la manière dont sont indiquées les températures, il est utile de préciser que le kelvin est la fraction 1/273,16 de la température thermodynamique du point triple de l'eau (H2O), et une variation de température de 1 K est équivalente à une variation de 1°C. Toutefois, à la différence du degré Celsius, le kelvin est une mesure absolue de la température qui a été introduite grâce au troisième principe de la thermodynamique. La température de 0 K est égale à -273,15°C et correspond au zéro absolu (le point triple de l'eau est à +0,01°C soit 273,16 K).

N'étant pas une mesure relative, le kelvin n'est jamais précédé du mot «degré» ni du symbole « ° », contrairement aux degrés Celsius ou Fahrenheit. À l'origine, en 1954 (10ème CGPM, résolution 3, CR 79), le kelvin s'appelait le « degré Kelvin », et s'écrivait alors °K. Le « degré » fut supprimé lors de la 13ème CGPM, en 1967 (résolution 3, CR 104) et son symbole devint K. Cependant, ne soyez pas étonnés si vous croisez encore le symbole «°K» dans mes textes, attribuez cette « violation » des règles à mon âge avancé… Le symbole MK signifie «million de kelvins» ou «million de degrés». A ce stade, les 273,15° de décalage entre l’échelle Kelvin et l’échelle Celsius peuvent être considérés comme une quantité négligeable.

la FISSION

Description et visualisation de la fission d'atomes lourds (Uranium et Plutonium) :


animation de la fission d'un atome lourd en deux atomes plus légers par l'impact avec un neutron énergétique avec production d'énergie et de neutrons


L'énergie considérable produite lors de la fission est la somme de milliards d'événements semblables qui se produisent simultanément. Le danger majeur de la fission, c'est qu'elle peut "s'emballer", faire fondre les dispositifs modérateurs et provoquer une catastrophe majeure (voir Tchernobyl).

Merci Daniel j'avoue que j'ai du mal à suivre mais c'est très intéressant

FUSION

Description et visualisation de la fusion de deux atomes légers 2H (Deutérium) et 3H (Tritium) :


Animation de la réaction nucléaire de fusion entre deux atomes légers d'isotopes de l'Hydrogène, le Deutérium et le Tritium, avec production d'énergie, d'un atome d'Hélium 4 (4He) et d'un neutron


A l'instant où les deux noyaux fusionnent, une grande quantité d'énergie est produite, multipliée par le nombre considérable de réactions simultannées. Cependant, ce type de réaction nucléaire est très difficile à entretenir et ne risque donc pas de s'emballer (voir le Soleil qui fonctionne depuis des milliard d'années sans pour autant exploser). Pour le moment ce sont les neutrons éjectés à chaque évènement qui posent problème. Il va falloir trouver des matériaux qui les absorbent et qui ne se dégradent pas rapidement à la suite de cette absorbsion. En effet, le graphique ne représente qu'une réaction mais il s'en produit des milliards au même moment. Contrairement à la fission, le peu de déchet produit (Tritium 3H) est réutilisable quasi-immédiatement. Le noyau d'Hélium 4 est stable et n'est donc pas radioactif.

Mes bons copains, c'est la partie la plus indigeste du sujet, mais cela devrait permettre de comprendre pourquoi l'énergie nucléaire est utilisées, avec tous les inconvénients que cela comporte pour le moment. On verra par la suite que les nouvelles générations de réacteurs de fusion, lorsqu'on aura résolu tous les problèmes techniques, devraient permettre d'accéder à une énergie quasiment inépuisable (c'est celle qui règne dans le soleil) sans production de déchets, comme ceux produits par les réacteurs de fission actuels.

Demain nous continuerons en abordant les utilisations de la réaction nucléaire de fission. Bonne nuit à tous !

Connaissant bien le sujet puisque travaillant en centrale Nuc, BRAVO daniel :cheers:

LA RADIOACTIVITÉ

La radioactivité est la propriété d'un noyau atomique instable ou radioactif de se transformer en un ou plusieurs noyaux d'autres éléments, et d'émettre lors de cette transformation une particule alpha (un noyau d'hélium), un électron (particule bêta) ou un photon (rayon X ou rayon gamma).

La radioactivité désigne un phénomène qui se produit dans deux cas distincts :

• Lorsqu’un isotope (par exemple le carbone 14) a beaucoup plus de neutrons que de protons, ou l’inverse, son noyau devient instable. Il se transforme en un produit de désintégration en émettant des rayonnements pour libérer son énergie et retrouver son équilibre.

• Lorsque l'on bombarde un atome (par exemple l'uranium) à coup de neutrons, le noyau se divise en noyaux plus petits. Cette fission nucléaire, dégage de l'énergie sous forme de chaleur (que l'on peut utiliser pour produire de l'électricité). Le phénomène de fission dégage également des rayonnements alpha, bêta ou gamma.

La radioactivité se traduit par des rayonnements ionisants qui interagissent avec la matière en provoquant des ionisations. L'irradiation d'un organisme a des effets qui peuvent être plus ou moins néfastes pour la santé selon la dose reçue et le type de rayonnement.

Symbole indiquant un danger radioactif

LES DIFFÉRENTES FORMES DE RAYONNEMENTS

Le phénomène de rayonnement peut prendre quatre formes différentes :

• Rayonnement alpha : un noyau atomique instable (trop lourd) se débarrasse de son excédent de poids en émettant une particule lourde chargée positivement (un noyau d'hélium-4) animé d'une grande vitesse, mais très peu pénétrante ; une feuille de papier peut l'arrêter.

• Rayonnement bêta : un noyau atomique instable émet une particule légère (un électron ou un positon), très pénétrante et chargée électriquement ; une feuille d'aluminium peut arrêter ce rayonnement.

• Rayonnement gamma : un noyau atomique qui ne souffre pas d'un excès de masse, mais d'énergie, évacue un photon, sans masse comme la lumière mais en beaucoup plus énergétique, très pénétrant mais non chargé électriquement ; il faut plusieurs centimètres de plomb pour l'arrêter.

• Les rayons X sont un rayonnement électromagnétique comme les ondes radio, les micro-ondes, la lumière visible, ou les infrarouge. Ils peuvent être produits par la radioactivité.

Les émissions gamma suivent généralement une désintégration alpha ou bêta et correspondent à un réarrangement des nucléons, et notamment à une réorganisation de la charge électrique à l'intérieur du nouveau noyau. On va donc fréquemment rencontrer un noyau radioactif émettant simultanément plusieurs types de rayonnement : par exemple, le plutonium-239 est un émetteur alpha-gamma, le fer-59, un émetteur bêta-gamma.

Les rayonnements ionisants provoquent tous au sein de la matière des ionisations et des excitations. La façon dont se produisent ces ionisations dépend du type de rayonnement considéré.

Le rayonnement gamma est un faisceau de photons sans charge ni masse. En traversant la matière il provoque trois type d'interactions : l'effet photo-électrique, la création de paires et l'effet Compton. Ces mécanismes produiront, in fine, des excitations et ionisations dans le matériau traversé. Le rayonnement gamma a un fort pouvoir de pénétration dans la matière (plusieurs dizaines de mètres de béton).

Le rayonnement alpha est un faisceau de particules lourdes et chargées, généralement d'énergie élevée. En traversant la matière, ce faisceau de particules percute les électrons de la périphérie des atomes du matériau traversé ce qui les excite ou les ionise. Ce mécanisme se produit sur une très courte distance : le pouvoir de pénétration des rayonnements alpha est faible (une simple feuille de papier les arrête totalement) et par conséquent le dépôt d'énergie par unité de longueur traversée sera élevé. Cette énergie dissipée dans la matière traversée se traduira par des excitations et des ionisations. Ces dernières seront donc nombreuses sur le court parcours de la particule.

Le rayonnement bêta, constitué d'électrons ou de positrons est un faisceau de particules légères et chargées. Il interragit avec la matière en provoquant, lui aussi, des excitations et des ionisations. Le parcours des électrons et des positrons dans la matière est plus important que celui des particules alpha (de l'ordre de quelques mètres maximum dans l'air). La perte d'énergie du rayonnement bêta par unité de longueur traversée sera, toute autre chose étant égale, moindre que celle du rayonnement alpha. Il en sera donc de même du nombre d'excitation et d'ionisation produite par unité de longueur.

Force de pénétration des différents types de rayonnements

Les origines de la radioactivité

La radioactivité naturelle

La radioactivité naturelle a principalement pour origine les radioisotopes existants dans la nature et produits lors des explosions des supernovae. On trouve des traces de ces éléments radioactifs et de leurs descendants dans notre environnement. Par exemple, un roc de granite contient des traces d'uranium qui, en se désintégrant, émettent un gaz radioactif, le radon.

La radioactivité résulte également du bombardement du globe terrestre par des particules de haute énergie en provenance de l'espace : les rayons cosmiques. Les humains sont exposés à celles des particules du rayonnement cosmique qui traversent l'atmosphère. L'effet global au sol reste anodin (ce n'est pas toujours le cas dans l'espace où les tempêtes solaires influent considérablement sur les hommes et le matériel).

La radioactivité naturelle des atomes de notre corps se traduit aussi par environ 8 000 désintégrations par seconde (8 000 Bq), qui font 252 milliards par an sur les quelque 10^27 (27 milliards de milliards de milliards) d'atomes de notre corps. Le risque d'altération d'un atome est donc de 0,25 × 10^-17 (0,0000000000000000025).

Nous ne pouvons pas échapper très facilement à l'exposition à la radioactivité (par exemple notre corps contient naturellement du carbone 14), mais nous vivons avec ce risque depuis la nuit des temps : L'exposition naturelle à la radioactivité représente 2,5 mSv sur le total de 3,5. Cette dose peut varier de 1 à 40 mSv (Sv = Sever), selon l'environnement géologique et les matériaux d'habitation.

Le rayonnement tectonique dû aux roches (uranium, thorium et descendants) est de 0,40 mSv, mais il peut être dix fois plus important dans des régions granitiques comme la Forêt-Noire en Allemagne ou la Bretagne et le Massif Central en France, en particulier à cause d'un gaz radioactif, le radon. La part due au rayonnement cosmique représente environ 0,40 mSv au niveau de la mer, mais double à 1 500 m d'altitude.

Il nous est impossible d'échapper à la radioactivité en respirant, en nous déplaçant, mais aussi en mangeant. Tous nos aliments sont un peu radioactifs, car ils contiennent des éléments comme du carbone-14 et du potassium-40, des isotopes radioactifs inséparables du carbone et du potassium naturels.

L'eau de source que nous buvons est aussi radioactive. Avant de jaillir du sol, elle a dissous des sels minéraux appartenant aux roches rencontrées sur son chemin dont certaines contiennent des radioéléments. Les eaux les plus radioactives proviennent des régions granitiques ou volcaniques dont les roches renferment un peu d'uranium et de thorium accompagnés des éléments radioactifs de leur descendance. Cette radioactivité est très variable.

La radioactivité artificielle

Les rayonnements ionisants peuvent avoir une origine artificielle :
• les retombées des essais nucléaires
• les retombées des accidents nucléaires
• la chaîne (ou cycle) du combustible nucléaire
• la radioactivité des déchets nucléaires tels que le plutonium
• la radioactivité produite par l'explosion d'une bombe atomique
• les rayons X utilisés en imagerie médicale
• les rejets des usines de retraitement
• les rejets des centrales nucléaires
• ...

La radioactivité naturelle des aliments peut être augmentée dans des proportions variables, voire éventuellement dangereuse, par une radioactivité artificielle. Il est ainsi apparu en France, à la suite de l'accident de Tchernobyl, des augmentations significatives de radioactivité dans les plantes et viandes de plusieurs régions françaises. Des personnes, dont l'association des malades de la thyroïde, ont déposé des plaintes à la suite de cancer qu'elles attribuent à cette cause.

Toute information sur les modifications anormales de radioactivité dans l'environnement est sévèrement contrôlée par les autorités de l'État en France. Les écologistes combattent toute politique de confidentialité dans ce domaine qui touche à la santé de chaque citoyen.

Principaux éléments radioactifs
• plutonium 239Pu et 241Pu
• uranium 235U et 238U
• curium 242Cm et 244Cm
• américium 241Am
• thorium 234Th
• radium 242Cm
• césium 134Cs, 135Cs et 137Cs
• iode 129I, 131I et 133I
• antimoine 125Sb
• ruthénium 106Ru
• strontium 90Sr
• krypton 85Kr et 89Kr
• sélénium 75Se
• cobalt 60Co
• chlore 36Cl
• soufre 35S
• phosphore 32P
• carbone 14C
• tritium 3H
mais il y en a encore d'autres, moins fréquents certes.