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LES REACTIONS NUCLEAIRES PROVOQUEES

I.  Aspects généraux

A.  Définition de la réaction nucléaire provoquée

Une réaction nucléaire provoquée est une réaction au cours de laquelle un noyau cible est bombardé par un noyau projectile ou particule projectile pour donner de nouveaux noyaux.

B.  Types de réactions nucléaires provoquées

On distingue 3 types de réactions nucléaires provoquées :

  • La transmutation (hors programme)
  • La fission nucléaire
  • La fusion nucléaire

Toutes ces réactions nucléaires vérifient les lois de conservation du nombre de masse, du nombre de charges, de la quantité du mouvement et de l’énergie.

C.  Nature du noyau projectile ou particule projectile

Le noyau projectile peut être :

  • Une particule chargée : c’est le cas du proton $(^{1}_{1}P)$ du deuton ou deutérium $(^{2}_{1}H)$, la particule $α(^{4}_{2}H_{e})$
  • Une particule non chargée : c’est le cas du neutron $(^{1}_{o}n)$ ; la particule $∂(^{O}_{O}∂)$

Le neutron est la particule de choix car il n’interagit pas avec le cortège électronique du noyau cible. Il n’est pas repoussé par le noyau-cible et donne un rendement satisfaisant.

D.  Réaction nucléaire et notation abrégée

  • écriture de la réaction nucléaire provoquée

$x + X → y +Y$

Avec x : particule projectile ; X : noyau-cible ; y : particule produit ; Y : noyau-fils ou noyau résiduel

  • Notation abrégée de cette réaction

$X(x ;y)$

Cette réaction contient des informations nécessaires pour connaitre la nature du noyau résiduel par application des lois de conservation du nombre de masse et du nombre de charges.

Exemple:

Réactions nucléaires Notation abrégée

II.  La fission nucléaire

A.  Définition

La fission nucléaire est la cassure d’un noyau lourd sous l’impact d’un neutron en deux noyaux plus légers avec émission de neutron.

Remarque :

La réaction de fission est exoénergétique.

Elle peut se produire en chaîne. Seuls les neutrons lents ou neutrons thermiques, avec une énergie cinétique de l’ordre de 0,1eV sont capables de provoquer la fission.

B.  Réaction en chaîne

A partir des neutrons convenablement ralentis lors d’une fission, on peut provoquer la fission d’autres noyaux. Ainsi, on peut obtenir une succession de réactions de fission qu’on appelle réaction en chaîne.

Sans précaution, la réaction en chaîne peut devenir explosive (Bombe A) ; mais convenablement contrôlée dans un réacteur nucléaire, la réaction en chaîne peut devenir la source d’énergie électrique produit par une centrale nucléaire.

Schématiquement, la réaction de fission de l’uranium 235 est :

C.  Nucléide fissile et nucléide fertile

1.  Nucléide fissile

Un nucléide est fissile si un neutron lent peut provoquer la fission de son noyau.

Il existe quatre (04) nucléides fissiles :

Parmi ces nucléides, seul l’uranium 235 est naturel. Tous les autres sont artificiels.

Remarque :

L’uranium 235 représente 0,71% de l’uranium naturel. Le reste, soit 99,29% correspond à l’uranium 238.

2.  Nucléide fertile

Un nucléide fertile est un nucléide naturel susceptible d’engendrer un nucléide fissile sous l’action d’un neutron.

Exemple : l’uranium 238 est un nucléide fertile qui, à la suite des réactions nucléaires peut donner le plutonium 239 qui est un nucléide fissile.

D.  Etude de la réaction de fission de l’uranium 235

1.  Equation bilan nucléaire

Lois de la conservation du nombre de masse  et du nombre de charges

$235 + 1 = 236 = A_{1} + A_{2} +k$

                 $92 = Z_{1} + Z_{2}$

2.  Energie libérée

  • A partir du défaut de masse de la réaction nucléaire

$Q=ΔmC^{2}$

Avec : $Δm= mU – m_{X1} – m_{X2} – (k-1)_{mn}$

  • A partir des énergies de liaison

$Q=El(X_{1})+El(X_{2})-El(U)$

III.  la fusion nucléaire

A.  Définition

La fusion nucléaire est la réaction au cours de laquelle deux noyaux légers s’unissent pour former un noyau plus lourd.

Remarque :

  • La fusion nucléaire est une réaction exoénergétique.

Seuls les noyaux animés de grande énergie cinétique sont capables de fusionner.

  • La fusion nucléaire se produit naturellement dans les étoiles (cas du soleil). Dans une bombe thermonucléaire (bombe H), la fusion est incontrôlée et explosive.

B.  Exemples de réactions de fusion

                                                 

$_{1}^{2}H$ + $_{1}^{2}H$ $\longrightarrow$ $_{1}^{3}H$ + $_{1}^{1}H$

$_{1}^{2}H$ + $_{1}^{3}H$ $\longrightarrow$ $_{2}^{4}H_{e}$ + $_{0}^{1}n$

$_{2}^{2}H$ + $_{2}^{4}He$ $\longrightarrow$ $_{4}^{7}Be$ 

C.  Bilan énergétique ou énergie libérée

Pour la réaction de fusion nucléaire,

L’énergie libérée est :

  • A partir du défaut de masse

$Q=ΔmC^{2}$

$Δm=mX_{1} + mX_{2} – mY_{1} – mY_{2}$

  • A partir des énergies de liaison

$Q=El(Y_{1}) + El(Y_{2}) – El(X_{1}) – El(X_{2})$