Les transformations (ou réactions) nucléaires

I. Introduction

• Dans la nature, les noyaux instables se décomposent spontanément en émettant des particules (désignées par les lettres grecques $\alpha$, $\beta^+$ et $\beta^-$) et un rayonnement électromagnétique très énergétique : le rayonnement $\gamma$.

• Ce faisant, par opposition aux transformations (ou réactions) nucléaires spontanées, il existe deux principales réactions dites provoquées :

  $\circ\quad$ Les réactions de fission nucléaire ;

  $\circ\quad$ Les réactions de fusion nucléaire.

II. Le noyau atomique

1. Les nucléons

• Définitions :

  $\circ\quad$ Les nucléons sont les particules qui constituent un noyau d'un atome : les protons de charge $+e$ et les neutrons de charge nulle ;

  $\circ\quad$ Le nombre de protons dans un noyau est le nombre de charges (ou le numéro atomique), noté $Z$ ;

  $\circ\quad$ Le nombre de nucléons (protons + neutrons) est le nombre de masse, noté $A$ ;

  $\circ\quad$ Ainsi, le noyau d'un élément de symbole $X$ est noté par convention :

  $\boxed{_Z^A \large X}$

2. Les isotopes

• Définition :

  Deux noyaux isotopes ont le même nombre de proton(s) (ou le même numéro atomique ou le même nombre de charge) $Z$ mais des nombres différents de neutrons, donc des nombres de masse différents :

  $\boxed{^{A_1}_Z X ~ \text{et} ~ ^{A_2}_Z X ~ \text{avec} ~ A_1 \neq A_2}$

• Exemples :

  $\circ\quad$ $^{35}_{17}Cl$ et $^{37}_{17}Cl$ ;

  $\circ\quad$ $^{12}_6C$ et $^{14}_6C$ ;

  $\circ\quad$ $^3_1H$ (tritium), $^2_1H$ (deutérium) et $^1_1H$ (hydrogène).

III. Caractères généraux des transformations nucléaires

1. Propriétés d'une transformation nucléaire

• La radioactivité :

  $\circ\quad$ Elle est spontanée et incontrôlable ;

  $\circ\quad$ En effet, un noyau radioactif ne vieillit pas, il reste identique à lui-même jusqu'à sa désintégration, qui se produit à une date imprévisible : c'est le caractère aléatoire d'une désintégration radioactive.

  $\circ\quad$ C'est une réaction nucléaire : elle est la même pour toutes les espèces chimiques qui contiennent ce noyau.

• La fission ou la fusion :

  $\circ\quad$ Elle est provoquée de façon artificielle ou non ;

  $\circ\quad$ C'est également une réaction nucléaire.

2. Lois de conservation d'une transformation nucléaire

• Propriété :

  Lors d'une transformation (ou réaction) nucléaire, il y a :

  $\circ\quad$ Conservation du nombre de charge ;

  $\circ\quad$ Conservation du nombre de nucléons, donc du nombre de masse ;

  $<strong>\circ\quad$ Conservation de l'énergie totale du système de particules considéré.

• Remarques :

  $\circ\quad$ La conservation du nombre de charge et du nombre de masse relève de la loi de Soddy ;

  $\circ\quad$ Force est de constater que, contrairement aux transformations physiques ou chimiques, les transformations nucléaires ne respectent pas la conservation des éléments chimiques constituant le système étudié.

IV. Les transformations nucléaires provoquées

1. La fission nucléaire

• Définition :

  La fission est l'éclatement d'un noyau lourd (noyau cible) sous l'impact d'un neutron (projectile) en deux noyaux plus légers.

• Remarque : elle libère de l'énergie.

• Exemple :

  $\circ\quad$ $^{235}_{92}U + ^1_0n \rightarrow ^{94}_{38}Sr + ^{140}_{54}Xe + 2 ^1_0n$

  $\circ\quad$ Cette transformation nucléaire respecte le principe de conservation de la charge et de la masse.

• Applications :

  $\circ\quad$ Des fissions contrôlées se produisent dans les réacteurs nucléaires possédés en France par EDF pour produire de l'électricité (actuellement autour de $70\%$ du mix électrique français) ;

  $\circ\quad$ Des fissions contrôlées se produisent également dans le réacteur de type EPR de Flamanville (actuellement en finalisation des essais de démarrage) ; il en sera de même pour le programme de construction des réacteurs de type EPR2 ;

  $\circ\quad$ Des fissions non contrôlées se produisent suite à la détonation d'une bombe A.

2. La fusion nucléaire

• Définition :

  La fusion est une réaction nucléaire qui crée un noyau plus lourd lors de la rencontre de deux noyaux légers (faible nombre de masse A).

• Remarque : elle libère de l'énergie.

• Exemple :

  $\circ\quad$ $^2_1H + ^3_1H \rightarrow ^4_2He + ^1_0n$

  $\circ\quad$ Cette transformation nucléaire respecte le principe de conservation de la charge et de la masse.

• Applications :

  $\circ\quad$ Des fusions naturelles se produisent dans le Soleil ;

  $\circ\quad$ Des fusions non contrôlées se produisent suite à la détonation d'une bombe H ;

  $\circ\quad$ Un espoir de fusions contrôlées dans le réacteur expérimental d'ITER (en cours de construction à Cadarache) ou par le biais.

V. Principales particules rencontrées dans les transformations nucléaires

A titre d'information, les principales particules qui sont rencontrées dans les transformations nucléaires (spontanées ou provoquées) sont les suivantes :

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