Chapitre 26 • Physique nucléaire
La fragmentation du nuclide composé pouvant se faire de diverses façons, l’irradiation d’une cible fissile donne une distribution de masse des fragments de fission ; les
fragments instables subissent à leur tour des désintégrations b
– et éventuellement g et
n, en chaîne avec des demi-vies de quelques secondes à 10
7 ans.
Exemple :
U
235
92
+ n →
U*
236
92
→
Sr
95
39
10 min
−→ Zr
95
40
63 j
−→ Nb
95
41
35 j
−→ Mo
95
42
Xe
139
53
2,7 s
−→ Xe
139
54
41 s
−→ Ce
139
55
9,5 min
−→
Ba
139
56
10 min
−→
La
139
57
2 n
Les neutrons de fission peuvent induire de nouvelles fissions en chaîne ; dans un
réacteur les réactions sont maintenues à un taux constant, dans une bombe le taux
diverge et conduit à l’explosion. Difficilement capturés par les nuclides fissiles, les
neutrons rapides ne permettent pas d’entretenir des réactions en chaîne dans l’uranium
naturel (0,7 %
235 U et 99,3 %
238 U) ou faiblement enrichi en
235 U (5 %
235 U) ; on
ralentit donc les neutrons rapides par un modérateur (eau, graphite). Les réacteurs
surgénérateurs à neutrons rapides (Super-Phénix, 1986) utilisent du plutonium
239 Pu
(nuclide artificiel fissile) et de l’uranium naturel ; la capture de neutrons rapides par
l’uranium
238 U (non fissile) génère plus de plutonium
239 Pu qu’il n’en est consommé,
ce qui multiplie le potentiel énergétique de l’uranium naturel par 75 :
n (rapide) +
U
238
92
→
U
239
92
b
−→ Np
239
93
b
−→ Pu (fissile)
239
94
.
d) Fusion nucléaire
Définition
Une réaction de fusion de deux nucléons ou nuclides légers (A < 20) correspond à
la formation d’un nuclide plus lourd avec libération d’énergie : Q ≈ 2 à 20 MeV.
Exemples :
H
1
1
+ n → H (
2
1
Q = 2,23 MeV),
H
2
1
+ H
2
1
→ He
3
2
+ n (50%) (Q = 3,27 MeV)
→ H
3
1
+ H (50%) (
1
1
Q = 4,03 MeV)
H
3
1
+ H
2
1
→ He
4
2
+ n (Q = 17,6 MeV).
Exercice d’application 26.5
Si deux nuclides de deutérium doivent s’approcher à une distance d ≈ 10 fm pour
fusionner, calculer la hauteur U de la barrière coulombienne à franchir et estimer
la température T requise.
SOLUTION. U = e
2 / (4·p·´ 0 ·d) ≈ 2,3·10
−14 J = 0,14 MeV. Chaque nuclide
ayant l’énergie (3/2) · k B · T à grande distance, la conservation de l’énergie s’écrit :
2 · (3/2) · k B · T + 0 = 0 + U ⇒ T = [ 1 / (4 · p · ´ 0 ] · [e
2 / (3 · k B · d)] ≈ 5,6 · 10
8 K.
532
“Gautron_9782100543007” (Col. : ScienceSup3-193x250) — 2010/6/15 — 17:13 — page 532 — #542
i
i
i
i
La fragmentation du nuclide composé pouvant se faire de diverses façons, l’irradiation d’une cible fissile donne une distribution de masse des fragments de fission ; les
fragments instables subissent à leur tour des désintégrations b
– et éventuellement g et
n, en chaîne avec des demi-vies de quelques secondes à 10
7 ans.
Exemple :
U
235
92
+ n →
U*
236
92
→
Sr
95
39
10 min
−→ Zr
95
40
63 j
−→ Nb
95
41
35 j
−→ Mo
95
42
Xe
139
53
2,7 s
−→ Xe
139
54
41 s
−→ Ce
139
55
9,5 min
−→
Ba
139
56
10 min
−→
La
139
57
2 n
Les neutrons de fission peuvent induire de nouvelles fissions en chaîne ; dans un
réacteur les réactions sont maintenues à un taux constant, dans une bombe le taux
diverge et conduit à l’explosion. Difficilement capturés par les nuclides fissiles, les
neutrons rapides ne permettent pas d’entretenir des réactions en chaîne dans l’uranium
naturel (0,7 %
235 U et 99,3 %
238 U) ou faiblement enrichi en
235 U (5 %
235 U) ; on
ralentit donc les neutrons rapides par un modérateur (eau, graphite). Les réacteurs
surgénérateurs à neutrons rapides (Super-Phénix, 1986) utilisent du plutonium
239 Pu
(nuclide artificiel fissile) et de l’uranium naturel ; la capture de neutrons rapides par
l’uranium
238 U (non fissile) génère plus de plutonium
239 Pu qu’il n’en est consommé,
ce qui multiplie le potentiel énergétique de l’uranium naturel par 75 :
n (rapide) +
U
238
92
→
U
239
92
b
−→ Np
239
93
b
−→ Pu (fissile)
239
94
.
d) Fusion nucléaire
Définition
Une réaction de fusion de deux nucléons ou nuclides légers (A < 20) correspond à
la formation d’un nuclide plus lourd avec libération d’énergie : Q ≈ 2 à 20 MeV.
Exemples :
H
1
1
+ n → H (
2
1
Q = 2,23 MeV),
H
2
1
+ H
2
1
→ He
3
2
+ n (50%) (Q = 3,27 MeV)
→ H
3
1
+ H (50%) (
1
1
Q = 4,03 MeV)
H
3
1
+ H
2
1
→ He
4
2
+ n (Q = 17,6 MeV).
Exercice d’application 26.5
Si deux nuclides de deutérium doivent s’approcher à une distance d ≈ 10 fm pour
fusionner, calculer la hauteur U de la barrière coulombienne à franchir et estimer
la température T requise.
SOLUTION. U = e
2 / (4·p·´ 0 ·d) ≈ 2,3·10
−14 J = 0,14 MeV. Chaque nuclide
ayant l’énergie (3/2) · k B · T à grande distance, la conservation de l’énergie s’écrit :
2 · (3/2) · k B · T + 0 = 0 + U ⇒ T = [ 1 / (4 · p · ´ 0 ] · [e
2 / (3 · k B · d)] ≈ 5,6 · 10
8 K.
532
“Gautron_9782100543007” (Col. : ScienceSup3-193x250) — 2010/6/15 — 17:13 — page 532 — #542
i
i
i
i