Notes sur le cours sur lĠnergie nuclaire
I.
1. La structure de la matire :
- La matire est forme de minuscules entits : les atomes.
- Chaque atome est constitu dĠun noyau autour duquel tournent trs rapidement des lectrons.
- Dans le noyau d'un atome il y a des protons et des neutrons.
- Noyau instable mission dĠun rayonnement (dsintgration)
- CĠest ce phnomne quĠon appelle radioactivit.
I. 3. Diffrents types de
rayonnement : alpha, bta et gamma.
- La radioactivit alpha se traduit par lĠmission dĠun petit noyau, constitu de deux protons et de deux neutrons, appel particule alpha.
Ce rayonnement est peu pntrant, quelques centimtres dĠair ou une feuille de papier suffisent lĠarrter.
- La radioactivit bta se traduit par lĠmission dĠun lectron ou dĠun anti-lectron.
Ce rayonnement est stopp par une vitre ou quelques centimtres dĠaluminium.
- La radioactivit gamma se traduit par lĠmission de photons trs.
Il faut de fortes paisseurs de bton ou de plomb pour stopper les rayonnements gamma.
I.
4. Priode / demie-vie
- Ces dsintgrations ne se font pas instantanment. En fait, on considre un ensemble de noyaux un instant t ; le temps ncessaire pour que le nombre de noyaux initiaux soit divis par 2 s'appelle la demi-vie. Ce temps caractristique diffre pour chaque noyau et peut tre de l'ordre de la milliseconde plusieurs centaines de milliers d'annes. Plus un noyau a une dure de demi-vie courte plus il sera radioactif, et inversement. Notons qu' chaque fois qu'un noyau met une radiation, c'est qu'il s'est dsintgr : il a donc dfinitivement disparu. Par exemple, aprs 10 demi-vie, il ne reste plus que 1 millime du nombre de noyaux radioactifs initiaux.
- Voici quelques exemples :
Uranium : 239U :
23 minutes
235U
: 7,1.108 ans
238U : 4,5.109 ans
- Remarque : il n'y a aucune diffrence entre les radiations mises par la radioactivit naturelle (i.e., celles mises par les atomes prsents dans la nature) et les radiations ``artificielles'' : ce terme, signifie que ce sont les noyaux radioactifs qui ont t forms ``artificiellement'' (par des ractions nuclaires sur des atomes de la nature.
La fission nuclaire
- CĠest grce lĠuranium, un mtal relativement abondant dans lĠcorce terrestre, que fonctionnent les centrales nuclaires.
- A lĠorigine de la raction de fission, il y a un projectile, le neutron, qui vient frapper un noyau et le divise en deux parties.
- La division du noyau est appele raction de fission et un atome qui a la facult de se diviser en deux est dit Ç fissile È. CĠest le cas de lĠUranium 235 et du Plutonium 239.
- Cette raction sĠaccompagne dĠun grand dgagement dĠnergie sous forme de chaleur.
- La fission est utilise dans les racteurs nuclaires o on matrise les ractions en chane pour produire de lĠnergie.
- Lors de la fission, lĠatome dĠUranium est divis en deux atomes (appels produits de fission) et met deux ou trois neutrons. Cette raction sĠaccompagne de rayonnements alpha, bta et gamma.
- Les neutrons mis lors de la raction de fission sont susceptibles, leur tour, de provoquer une raction de fission dĠun atome dĠuranium. La raction nuclaire peut ainsi se poursuivre de proche en proche. CĠest ce que lĠon appelle la raction en chane.
- LĠnergie dgage devient trs vite considrable. Sans prcautions, la raction en chane conduit une explosion : cĠest ce qui se produit dans une bombe atomique.
- Dans un racteur nuclaire, la raction en chane est matrise par un modrateur qui absorbe les neutrons. Ceci permet de maintenir un taux de fission constant.
Aller sur le site du CEA (Commissariat lĠEnergie Atomique) : www.cea.fr (espace jeunes)
Nous venons de voir que la raction de fission tait accompagne dĠune mission de rayonnements radioactifs particulirement nocifs dont il faut se protger.
La ncessit de se protger des radiations apparut trs peu de temps aprs la dcouverte de la radioactivit. Aprs sa dcouverte des rayons uraniques, Becquerel sĠaperut quĠun tube de matire radioactive, gard dans la poche de sa veste, avait provoqu une brlure comparable un coup de soleil.
- LĠactivit dĠun lment, cĠest--dire son degr de radioactivit, de mesure en Becquerel (Bq). Le Becquerel indique en fait le nombre de dsintgrations par seconde dĠun atome. Ainsi une dsintgration par seconde correspond 1 Bq, dix dsintgrations par seconde 10 Bq.
- Il est important de bien noter que l'activit d'une substance va dpendre directement de la quantit de matire radioactive, qu'elle soit solide, liquide ou gazeuse.
- Le Becquerel est une petite unit, voici quelques repres de valeurs :
1 homme (70kg) 7000 Bq
1 litre de lait 80 Bq
1 litre d'eau de pluie 0.3 1 Bq
1 kg de sol sdimentaire 400 Bq
1 kg de sol granitique 8000 Bq
1 kg dĠUranium
III. 2. LĠimpact du
rayonnement radioactif sur la matire
- Il sĠorganise dans deux directions : son pouvoir de pntration et son pouvoir dĠionisation.
- Pouvoir de pntration : le rayonnement va pntrer plus ou moins de matire vivante et agir sur les atomes ou groupes dĠatomes quĠil traverse.
- Pouvoir ionisant : le rayonnement est capable dĠarracher des lectrons aux atomes pour former des ions.
- La dose absorbe donne une mesure de la quantit de radiation absorbe par la matire ; elle se mesure en Gray (Gy). Un Gray = 1 joule absorb par kilogramme de matire. La dose absorbe ne dpend pas du type de radioactivit (alpha, beta, gamma).
- On parlera de dbit de dose si on fait intervenir le temps : Un dbit de dose de 1 Gy/h n'aura pas les mmes effets s'il est subi pendant quelques minutes ou quelques millisecondes !
- La dose quivalente permet de prendre en compte l'effet des diffrents types de radioactivit sur les tissus vivants ; par exemple, 1 gray de radiation alpha aura plus d'effets qu'un gray de radiation bta. La dose quivalente se mesure en Sievert (Sv) ; c'est en fait la dose absorbe multiplie par un facteur de pondration du rayonnement. Un sievert reprsente une dose trs leve et on parle gnralement de milli-sievert (1 mSv=10-3 Sv).
- Le dbit d'quivalent de dose fait intervenir le facteur temps : Les effets de la radioactivit naturelle sur notre corps sont de l'ordre du milli-Sievert par an.
- La dose efficace permet de prendre en compte le type de tissus soumis la radiation. Elle se mesure aussi en sievert. C'est la dose quivalente multiplie par un facteur de pondration tissulaire. Ce facteur dpend non seulement de la radiosensibilit de chaque organe, mais aussi de la gravit (donc de la mortalit) des cancers radio-induits.
- Les chiffres donns dpendent du lieu, de lĠanne de la source. Il faut retenir quĠen France les effets de la radioactivit naturelle (terre, rayonnement cosmique, Radon dans lĠair, ingestion dĠalimentsÉ) sur notre corps sont du mme ordre de grandeur que les effets de la radioactivit artificielle (mdecine, industries, nuclaire). La part du nuclaire dĠaprs les chiffres donns est ngligeable (0,5 % du total).
Les effets
sur l'organisme dpendent de la dose reue mais la dure pendant laquelle cette
dose a t reue est un facteur trs important.
- Indication des effets probables pour diffrentes doses reues par un homme en fonction le temps pendant lequel cette dose t reue :
1
000 000 mSv en une
fois : mort dans les minutes qui suivent lĠirradiation
10 000
mSv en une fois (temps
court infrieur quelques heures) : dommages immdiats, trs svres
entranant la mort en quelques semaines.
6000
mSv en une
fois : 90 % de mortalit dans les mois qui suivent lĠirradiation
Entre 2000 et 4 000 mSv en une fois : dommages srieux mais non dfinitifs.
50 mSv/an est la plus petite dose partir de
laquelle on ne peut prouver l'apparition de cancers (cette dose est aussi la
radioactivit naturelle de plusieurs lieux sur Terre). Au del de cette valeur,
le nombre de cancers (mais pas de leur gravit) augmente avec la dose.
Limite de dose annuelle rglementaire : 5 mSv
20 mSv/an moyenn sur 5 ans : c'est la limite
lgale que peuvent recevoir les travailleurs du nuclaire.
Rq : Limite de dose annuelle rglementaire pour les travailleurs du nuclaire : 50 mSv au cours dĠune anne quelconque
2-10
mSv/an :
radioactivit naturelle moyenne (peut tre beaucoup plus leve)
1 mSv/an : c'est la limite lgale que peut
recevoir le public (au dessus de la radioactivit naturelle).