Les matières radioactives et l'énergie nucléaire
I. Les substances radioactives :
1. La structure de l'atome :
Les atomes sont les constituants de base de toute la matière. Ils sont tous bâtis sur le même modèle : un noyau, formé de protons, de charges positives, et neutrons, de charges nulles, autour duquel se déplacent les électrons, de charges négatives. Dans un atome, le nombre de protons est égal au nombre d'électrons. Dans la nature, la plupart des noyaux d'atomes sont stables mais d'autres sont instables car ils possèdent trop de protons ou de neutrons.
L'organisation du noyau atomique, de la matière dépend des forces de cohésion entre ses éléments (Neutrons, protons et électrons). C'est l'instabilité de cette cohésion qui rend la matière radioactive.
Le noyau de l'atome est constitué de neutrons et de protons. Ces particules s'appellent : nucléons. L'organisation se note ainsi : \( _Z^A\text{X} \)
- \(Z\) = le numéro atomique, c'est le nombre de protons (nombre de charges positives).
- \(A\) = le nombre de masse, c'est le nombre de nucléons (protons + neutrons).
- Donc le nombre de neutrons c'est \(N = A - Z\).
Si le numéro atomique change, le nom de l'élément change aussi. Un nucléide est un type de noyau atomique, caractérisé par le nombre de protons et de neutrons qu'il contient. Il est défini par le numéro atomique (\(Z\)) et par le nombre de masse (\(A\)).
Exemples :
- Le carbone (\(C\)) : \(_6^{12}C\) avec \(A=12\) et \(Z=6\), \(_6^{13}C\) avec \(A=13\) et \(Z=6\), \(_6^{14}C\) avec \(A=14\) et \(Z=6\).
- Le magnésium (\(Mg\)) : \(_{12}^{24}Mg\) avec \(A=24\) et \(Z=12\), \(_{12}^{25}Mg\) avec \(A=25\) et \(Z=12\), \(_{12}^{26}Mg\) avec \(A=26\) et \(Z=12\).
On constate donc que, même s'il s'agit du même élément chimique, le nucléide peut changer le nombre de masse \(A\). Les nucléides qui ont le même numéro atomique (\(Z\)), mais des nombres de masse (\(A\)) différents, sont appelés isotopes.
2. La radioactivité émise lors de la désintégration des éléments radioactifs :
Lors de la désintégration de l'uranium, il y a émission de 3 types de rayonnement, séparés et classés en particules :
- Les particules alpha (\(\alpha\)) à noyau d'hélium (\(_2^4He\)) ;
- Les particules béta (\(\beta\)) chargées négativement (\(\beta^-\)) et positivement (\(\beta^+\)), de niveau plus élevé d'énergie.
- Les particules gamma (\(\gamma\)), photons de haut niveau d'énergie.
La désintégration : c'est un phénomène physique au cours duquel des noyaux atomiques instables se transforment, spontanément ou de façon provoquée, pour revenir à un état plus stable, et qui libère une partie de son énergie sous forme de rayonnements (alpha, bêta, gamma).
Les nucléides radioactifs pères se désintègrent pour donner de nouveaux nucléides fils, en libérant des radiations qui sont :
- Particules \(\alpha\) : sont des noyaux d'hélium de faible énergie. Elles parcourent quelques cm dans l'air, et une main ou une feuille de papier ordinaire les arrête.
- Particules \(\beta\) : sont des électrons (\(\beta^-\)) ou des positrons (\(\beta^+\)). Elles parcourent quelques cm à quelques mètres dans l'air. Elles ne peuvent être stoppées que par une feuille d'aluminium dont l'épaisseur dépasse \(6\text{ mm}\).
- Particules \(\gamma\) : sont des photons de haut niveau d'énergie. Ils peuvent parcourir des dizaines de mètres dans l'air. Une épaisseur de plomb ou de béton les atténue efficacement.
3. Quelques caractéristiques des isotopes radioactifs et la fission nucléaire :
a) La désintégration radioactive :
Les éléments radioactifs pères se transforment en éléments fils suite à des désintégrations, suivant lesquelles le nombre de nucléides diminue jusqu'à obtention d'un nucléide stable et non radioactif.
La demi-vie d'un nucléide radioactif est la période \(T\) qui correspond à la désintégration de \(50\%\) des nucléides constituant un échantillon donné.
| Isotope | Demi-vie | Unité temps |
|---|---|---|
| \(^{14}C\) | 5730 | Année |
| \(^{39}Ar\) | 269 | Année |
| \(^{72}Ti\) | 0.2 | Seconde |
| \(^{131}I\) | 8.04 | Jour |
| \(^{238}U\) | \(4.46 \times 10^9\) | Année |
- Le temps nécessaire pour la désintégration de la moitié des radionucléides pères en nucléides fils est appelé : la demi-vie des éléments radioactifs.
- Une famille radioactive est une suite de nucléides descendant d'un même noyau, le noyau père, par une suite de désintégrations successives jusqu'à l'obtention d'un noyau stable.
b) La radioactivité artificielle ou induite : La fission nucléaire :
En bombardant un noyau atomique d'uranium 235 avec un neutron, au sein des réacteurs nucléaires, ce noyau se fissionne (se casse) donnant plusieurs noyaux avec libération d'autres neutrons, qui à leur tour provoquent d'autres éclatements. Il s'agit de la fission qui est une réaction en chaîne, provoquée, dégageant une gigantesque chaleur, qui est récupérée et exploitée de plusieurs façons.
II. Utilisation des substances radioactives :
1. Rôle des éléments radioactifs dans la production d'énergie :
Les éléments radioactifs sont utilisés dans plusieurs domaines, surtout celui de la production d'énergie afin de remplacer l'utilisation des énergies fossiles (pétrole, charbon, gaz naturel).
| Élément | Description |
|---|---|
| ① = Réacteur | Le combustible (Uranium, plutonium) produit une intense chaleur véhiculée dans le circuit primaire d'eau. |
| ② = Vapeur | Au contact des tuyaux du circuit secondaire est transformée en vapeur qui va faire tourner la turbine. |
| ③ = Cuve/Tour de refroidissement | La vapeur est retransformée en eau, qui repart vers l'enceinte de confinement. Émet un nuage de vapeur. |
| ④ = Eau | Le circuit tertiaire refroidit la vapeur puis se refroidit lui-même dans la tour de refroidissement. |
| ⑤ = Alternateur | La turbine à vapeur fait tourner un générateur électrique qui va alimenter en électricité les lignes à haute tension. |
| ⑥ = Réseau électrique | L'électricité alimente le circuit de la ville par des lignes à très haute tension (Jusqu'à \(400\,000\) volts). |
Une centrale nucléaire est un site industriel destiné à la production d'électricité, qui utilise l'énergie thermique qui provient de la fission nucléaire de noyaux d'atomes lourds (combustible nucléaire tel que l'Uranium) :
- Dans le réacteur nucléaire. L'énergie thermique dégagée par la fission sert à chauffer de l'eau dans un circuit primaire. Cette eau chauffe par la suite l'eau contenue dans un circuit secondaire, jusqu'à vaporisation.
- La vapeur d'eau produite, entraîne la rotation d'une turbine à vapeur, qui produit l'énergie mécanique convertie par un alternateur en énergie électrique.
La centrale nucléaire produit une grande quantité d'énergie électrique, moins chère et sans émission de \(CO_2\), mais elle utilise la fission nucléaire de noyaux d'atomes lourds, qui produisent des déchets radioactifs très nocifs pour la santé.
2. Rôle des éléments radioactifs dans la datation absolue :
En haute atmosphère, et sous l'effet des neutrons, l'azote se transforme en carbone 14 (\(^{14}C\)) radioactif selon la réaction de capture neutronique. Par photosynthèse, les plantes absorbent le \(CO_2\) et fixent le carbone \(^{12}C\) et \(^{14}C\), alors que les animaux le fixent par alimentation.
À la mort, la fixation cesse, et par désintégration progressive la quantité du \(^{14}C\) diminue avec une demi-vie de \(5730\) années.
La date de la mort d'un organisme est déterminée par le rapport \(a/a_0\) avec \(a\) : radioactivité restante dans un fragment d'organisme et \(a_0\) : radioactivité dans un organisme actuel de la même espèce. Alors en connaissant la demi-vie \(T\) de l'élément radioactif, on peut calculer le temps (\(t\)) qui correspond à l'âge absolu de l'échantillon.
3. Utilisation de matières radioactives dans le domaine industriel et médical :
a) Le rôle des éléments radioactifs dans le domaine agroalimentaire :
Souvent présentée comme moins nocive que d'autres modes de conservation industriels, l'irradiation des aliments est une technologie qui peut remplacer l'usage de produits chimiques (pesticides et conservateurs).
- L'irradiation des aliments est une méthode qui consiste à exposer les aliments à un niveau contrôlé d'énergie, tel que les rayons gamma (\(\gamma\)), les rayons X ou un faisceau d'électrons.
- Cette énergie pénètre dans les aliments pour tuer les microorganismes (bactéries et champignons), sans élever de façon importante la température des aliments. Elle assure aussi une inhibition de la germination des graines et la stérilisation des boîtes de conserves.
- L'irradiation des aliments ne rend pas l'aliment radioactif. Elle ne doit pas être confondue avec la contamination radioactive (incorporation d'éléments ou composés radioactifs polluants).
b) Le rôle des éléments radioactifs dans le domaine médical :
Les applications de la radioactivité dans le domaine médical ont participé au progrès de la médecine :
- L'imagerie par scintigraphie est utilisée pour détecter les anomalies qui affectent certains organes. Elle consiste à injecter, au patient examiné, une faible quantité d'un élément radioactif, qui se fixe spécifiquement sur l'organe concerné. Le rayonnement émis est capté par une caméra spéciale qui donne l'image de l'organe en question.
- Marquage nucléaire : Dans les expériences de marquage nucléaire pour mettre en évidence le devenir d'un élément étudié.
- La radiothérapie : le traitement des cancers par irradiation en appliquant des doses radioactives à l'endroit où sont localisées les cellules cancéreuses. Ces dernières sont bombardées et éliminées.
III. Les dangers de la pollution nucléaire :
L'exploitation d'éléments radioactifs, dans les activités humaines, est accompagnée par des émissions radioactives qui pourraient avoir des impacts négatifs sur les êtres vivants.
1. Les dangers de la pollution nucléaire sur la santé :
Trois unités sont fréquemment utilisées dans le domaine du nucléaire :
- Le becquerel (\(Bq\)) qui mesure l'activité (nombre de désintégrations par seconde) de la matière radioactive.
- Le Gray (\(Gy\)) qui mesure la quantité de rayonnements absorbés par un organisme ou un objet exposé aux rayonnements.
- Le sievert (\(Sv\)) qui évalue les effets des rayonnements ionisants sur la matière vivante.
Les sources de la pollution nucléaire :
- Sources naturelles : Rayonnements cosmiques du soleil, de l'écorce terrestre, du radon et du corps humain.
- Sources artificielles : Examens radiologiques, des poussières radioactives de sources diverses, essais nucléaires, accidents dans les centrales nucléaires, la télévision...
Les dangers sur la santé : L'exposition aux fortes doses des radiations, entraîne des dégâts biologiques, en agissant sur les tissus et molécules organiques, notamment l'ADN, cette dernière peut subir des altérations et des mutations, qui conduisent à des malformations congénitales, à la stérilité et aux cancers (cancer du sang par exemple).
2. Les dangers de la pollution nucléaire sur l'environnement :
Après la catastrophe de Tchernobyl :
- Un grand rejet radioactif non contrôlé, sous forme de nuages radioactifs qui a contaminé plusieurs pays de l'Europe. Les poussières radioactives amenées par les vents et les pluies ainsi que les eaux contaminées, concentrent les radioéléments au niveau du sol et des eaux de surface. Les contaminants sont fixés par les plantes puis transférés aux herbivores et finissent chez l'homme.
- Le nombre de cas de cancer de la thyroïde enregistrés de 1985 à 2000 chez les enfants a augmenté progressivement pour l'ensemble de la Biélorussie et de l'Ukraine. Ce qui est expliqué par le fait que l'iode radioactif, a des effets à long terme, les enfants malades ont été exposés au rayonnement nucléaire au moment de l'accident, suite à la consommation des nutriments contaminés par l'iode radioactif.
- La catastrophe de Tchernobyl montre que l'énergie nucléaire civile mal contrôlée peut causer des dommages majeurs aux populations exposées et à l'environnement.
IV. Problématique de la gestion des déchets nucléaires et les alternatives écologiques :
Selon la définition de l'AIEA (Agence internationale de l'énergie atomique), les déchets nucléaires ou déchets radioactifs, est toute matière radioactive, dont aucun usage n'est prévu et dont la dispersion dans l'environnement n'est pas autorisée. Les déchets nucléaires se caractérisent par leur durée de vie et leur radiotoxicité, qui induisent des modes de gestion et de traitement particuliers.
1. Classification des déchets nucléaires :
Les déchets nucléaires sont classés selon deux critères : leur niveau de radioactivité et leur durée de vie (période radioactive = Demi-vie). On peut ainsi différencier les catégories suivantes :
- Les déchets de haute activité (HA) : principalement constitués des colis de déchets issus des combustibles usés après traitement. Le niveau d'activité de ces déchets est de l'ordre de plusieurs milliards de \(Bq\) par gramme.
- Les déchets de moyenne activité à vie longue (MA-VL) : également issus des combustibles usés après traitement. L'activité de ces déchets est de l'ordre d'un million à un milliard de \(Bq\) par gramme.
- Les déchets de faible activité à vie longue (FA-VL) : proviennent principalement du démantèlement des réacteurs de la filière uranium. Son niveau de radioactivité est de l'ordre de plusieurs centaines de milliers de \(Bq\) par gramme.
- Les déchets de très faible activité (TFA) : majoritairement issus des installations du cycle du combustible et des centres de recherche. Le niveau d'activité de ces déchets est en général inférieur à \(100\, Bq\) par gramme.
2. Problématique de stockage des déchets nucléaires :
Avant de découvrir la très grande toxicité des déchets nucléaires, certains pays n'hésitaient pas à s'en débarrasser dans les océans et lacs d'eau, mais depuis les années 80 on commence à les stocker de manière moins hasardeuse.
Les déchets radioactifs sont confinés dans du verre (vitrifiés) ou du béton, puis placés dans des colis de stockage, et pour éviter tout risque, ces colis sont stockés dans un lieu éloigné des habitations, dans une couche géologique imperméable et stable d'argile ou de granite à une profondeur de plusieurs centaines de mètres.
3. Problématique des alternatives écologiques au nucléaire :
Parmi les sources d'énergie, le nucléaire dégage le moins de gaz à effet de serre ; de plus, c'est une source moins coûteuse en termes de production d'électricité. Pour ces raisons, les partisans de cette source privilégient le nucléaire par rapport aux autres sources d'énergie. Cependant, les opposants réfutent catégoriquement l'utilisation de cette source comme alternative énergétique. Pour ces derniers, l'approvisionnement en énergies utilisables, à partir de l'énergie nucléaire, s'accompagne de problèmes de gestion des déchets radioactifs, ayant des conséquences sur l'environnement et sur la santé de l'homme.