GLOSSAIRE

-Les principaux acteurs

Le noyau L'électron Le proton Le neutron
Nucléon Rayons bêta Photon gamma
Électron positif ou positon Neutrino et antineutrino Un noyau simple : le deutérium
La particule a ou noyau d'hélium Isotopes E = mc, : masse et énergie interne
Énergie de liaison Transmutation Le quark

-Les unités

Charge électrique élémentaire Unités d'énergie : eV, keV, MeV Unités d'activité, becquerel, curie
Gray : unité de dose de dépôt d’énergie Sievert : unité de dose biologique GigaWatt

-Divers

Radiotoxicité Période Période biologique
Criticité et réactivité d'un réacteur Le refroidissement des neutrons Ionisation
Modérateurs La capture des neutrons Plutonium
Uranium Produits de fission Les actinides
Poisons



-Les principaux acteurs

-Noyau

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Assemblage de protons et de neutrons liés par l'interaction forte.

-Quark

Particule ultime de la matière (contredit de nos jours car on a découvert les leptons: particules encore plus petites que les quark, composant les neutrons liés par l'interaction forte. On connaît 6 quarks : up, down, étrange, charmé, bottom et top (découvert en 1995).

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-L'électron

Particule élémentaire extrêmement légère de charge électrique négative composant l'atome, il circule autour du noyau de l'atome.

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-Le proton

Particule massive du noyau( environ 2000 fois plus lourd que l'électron) de l'atome de charge électrique positive. Le nombre de protons dans le noyau est égal au nombre d'électrons de l'atome.

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-Le neutron

Particule massive du noyau de l'atome de charge électrique neutre. Il est le pilier de toute la matière existante car il empêche les protons contenues dans le noyau de se repousser. Emis lors de la fission de l'atome.Dénué de charge électrique, il n'est sensible qu'aux forces nucléaires. Étant électriquement neutre, il est facilement capté dans le noyau, y déclenchant des réactions nucléaires.

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-Nucléons

On appelle nucléons, du mot latin nucléus qui signifie noyau, les protons et les neutrons qui composent le noyau de l'atome. Les deux espèces de nucléons y jouent un rôle très similaire : ils possèdent une masse très voisine et ne sont distingués que par leur charge électrique.

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-Rayons (b)

On appelle électrons (b) les électrons émis spontanément par certains noyaux radioactifs excédentaires en neutrons : c'est la radioactivité (b-) appelée ainsi parce que la charge électrique de l'électron est négative. Des noyaux excédentaires en protons émettent en sens inverse des anti-électrons ou positons (b) : c'est la radioactivité (b+) qui est beaucoup plus rare dans la Nature.

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-Photons (g)

Particule élémentaire, sans charge ni masse, porteuse de l'interaction électromagnétique. La lumière visible, les ondes radios, les rayonnements infrarouges et ultraviolets, les rayons X sont véhiculés par de minuscules ondes d'origine électromagnétique : les photons. Ces photons sont émis et captés par des atomes. Des photons sont également émis par les noyaux quand ils se désexcitent. L'énergie qu'ils emportent est alors importante, de l'ordre du million d'électronvolts. Ce sont les photons gamma (g).

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-Électron positif ou positon

Le positon ou électron positif est défini comme l'antiparticule de l'électron. Sa masse et sa façon d'agir en traversant la matière sont les mêmes. Comme son nom l'indique, il est porteur d'une charge électrique (élémentaire) positive. Certains noyaux, radioactifs (b+), excédentaires en protons, expulsent des positons. Particule d'antimatière, perdue dans un univers de matière, un positon b disparaît rapidement en s'annihilant avec un électron pour produire deux photons.

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-Neutrino et antineutrino

Le neutrino apparaît comme le partenaire de l'électron, de la même façon que le neutron est le partenaire du proton dans le noyau. Corpuscule élémentaire, dépourvu de charge électrique, de masse pratiquement nulle, le neutrino interagit extrêmement peu avec la matière. Dans les désintégrations b des noyaux, il se manifeste comme une particule invisible qui emporte avec elle une partie de l'énergie disponible. Tout aussi invisible, l'antineutrino, antiparticule du neutrino, est le partenaire du positon.

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-Un noyau simple : le deutérium

Le noyau de l'hydrogène lourd, ou deutérium, constitue le noyau le plus simple, après celui de l'hydrogène réduit à un proton unique. Ce noyau est formé d'un proton lié à un neutron. Il existe à l'état naturel, mais est rare.

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-La particule a ou noyau d'hélium

Le noyau de l’atome d’hélium est aussi appelé particule (a)pour des raisons historiques. Il est constitué de deux protons et de deux neutrons. Parmi les noyaux légers, cet assemblage est doté d’une remarquable stabilité. Les noyaux lourds instables se désintègrent en émettant des particules (a) .

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-Isotopes

On appelle isotopes, des noyaux qui diffèrent par le nombre de neutrons. Des isotopes possèdent les mêmes propriétés chimiques et atomiques. Par contre les propriétés nucléaires sont différentes, car le nombre de neutrons influe sur la stabilité du noyau. La majorité des atomes présents dans la nature sont des isotopes stables. Les isotopes radioactifs, beaucoup plus nombreux, ont généralement disparu en raison de leur instabilité. Ils peuvent être recréés artificiellement par exemple pour des applications médicales.

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-E = mc, : masse et énergie interne

L'énergie interne d'un objet est l'énergie de cet objet quand il est au repos. Cette énergie est reliée à sa masse et au carré de la vitesse de la lumière (c,), par la relation d'Einstein, (E = mc,). C'est une quantité très grande par rapport à d'autres énergies comme l'énergie cinétique, la vitesse de la lumière valant 300 000 km/s.

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-Énergie de liaison

L'énergie de liaison d'un assemblage de particules est l'énergie à fournir pour en séparer les particules. Elle se calcule à partir des énergies internes et des masses, en appliquant la relation d'Einstein E = mc2, à l'assemblage et à ses constituants. Elle se traduit par un défaut de masse : l'assemblage est plus léger que ses constituants. Dans le cas d'un noyau, le défaut de masse est de l'ordre de 1 %. Ceci se traduit, la vitesse de la lumière valant 300 000 km/s, par des énergies de liaisons considérables, voisines de 8 millions d'électronvolts par nucléon. On retrouve une partie de cette énergie de liaison, dans la fission des noyaux d'uranium.

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-Transmutation

Les désintégrations radioactives et les réactions nucléaires changent la nature des noyaux. Ces changements se répercutent au niveau de l'atome qui devient un nouvel élément chimique. Ainsi le radium se transforme en un gaz, le radon, et l'uranium se transforme par fission en éléments beaucoup plus légers comme de l'iode ou du césium. Des transmutations provoquées par des neutrons se produisent dans les réacteurs. Elles peuvent être utilisées pour transformer des noyaux radioactifs en des éléments stables ou moins radioactifs. Ces techniques d'incinération sont difficiles à mettre en œuvre, mais pourraient être utilisées à l'avenir pour faire disparaître certains déchets radioactifs .

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-Les unités

-Charge électrique élémentaire

La possession d'une charge électrique est ce qui permet aux électrons et protons d'interagir par l'intermédiaire de forces électriques et magnétiques. Elle leur donne aussi la faculté d'émettre ou d'absorber des ondes électromagnétiques ou photons, qui vont des photons lumineux et ultraviolets aux rayons X et g. Toutes les charges électriques sont multiples d'une charge élémentaire e, dont la valeur, extrêmement petite, est 1,6 x 10-19 C.

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-Unités d'énergie : eV, keV, MeV

L'unité d'énergie adaptée à l'échelle de l'atome est une quantité appelée l'électronvolt ou eV. L'énergie nécessaire pour arracher un des électrons externes d'un atome, ou l'énergie libérée lors d'une réaction chimique, est de quelques eV. L'électronvolt est une unité très petite (0,16 milliardième de milliardième de joule). Les énergies mises en jeu dans le noyau sont environ un million de fois supérieures à celles observées dans les phénomènes chimiques. Pour cette raison, il est commode d'exprimer les énergies nucléaires en millions d'électronvolts ou MeV. L'unité intermédiaire est le millier d'électronvolts ou keV.

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-Unités d'activité, becquerel, curie

Le becquerel ou Bq est l'unité d'activité. Un becquerel équivaut à une désintégration par seconde. C'est une unité extrêmement petite. Le becquerel remplace une unité historique longtemps employée, le curie ou Ci. Un curie vaut 37 milliards de becquerels. C'est l'activité d'un gramme de radium. 1 Bq = 1 désintégration par seconde

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-Gray : unité de dose de dépôt d’énergie

L'unité de dose de dépôt d'énergie par les rayonnements radioactifs est le gray (Gy). Un gray correspond à un dépôt d'énergie d'origine radioactive d'un joule par kilogramme de matière. Contrairement au sievert, le gray ne distingue pas si le dépôt a lieu dans la matière inerte ou dans la matière vivante. Cependant, pour des expositions importantes ou courtes, les doses exprimées en gray sont plus significatives que les doses exprimées en sievert.

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-Sievert : unité de dose biologique

L'unité de dose d'irradiation significative pour un être vivant est le sievert ou Sv. Comme cette unité est assez grande, on exprime beaucoup plus souvent les doses biologiques en millisievert ou mSv. En Europe, la dose annuelle moyenne à laquelle la population est exposée est environ de 4 mSv par personne.

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-GigaWatt

Unité de puissance électrique, un Gigawatt ou GW vaut un million de kilowatt (KW). En France, un Gigawatt correspond à peu près aux besoins en électricité d'un million de personnes. C'est aussi la puissance fournie par un réacteur nucléaire REP standard. Un Gigawatt électrique permet de faire briller 10 millions d'ampoules électriques de 100 watts en même temps.

La puissance électrique installée ne doit pas être confondue avec l'énergie fournie (thermique ou électrique). Le kilowattheure (kWh) étant une unité trop petite, on exprime l'énergie fournie par un réacteur en TWh (terawatt-heures ou milliard de kWh). L'énergie thermique dégagée par le combustible d'un réacteur s'exprime usuellement en « gigawattjour »(un milliard de watts pendant un jour) équivalent à 24 millions de kWh.

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-Divers

-Radiotoxicité

La radiotoxicité mesure la nuisance d'un noyau radioactif assimilé par l'organisme à la suite d'une inhalation ou ingestion. Elle tient compte du devenir de la substance dans le corps humain, mais non de la probabilité que ce radioélément soit assimilé par l'organisme. Cette probabilité dépend des précautions prises et de l'environnement. Pour une même quantité ingérée, la radiotoxicité varie d'un facteur 1 à 10 000 entre des émetteurs (b) de faible énergie comme le tritium et des noyaux lourds émetteurs (a).

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-Période

La " période " ou " demi-vie " d'un élément radioactif est le temps nécessaire pour que sa radioactivité diminue de moitié : c'est le temps nécessaire pour que la moitié de la quantité initiale de l'échantillon soit désintégrée.. Ce temps caractéristique ne dépend pas de l'âge de l'échantillon. La radioactivité décroît très vite avec le nombre de périodes : elle est divisée par 1000 au bout de dix périodes. Par exemple, l'uranium a une période radioactive de 4,5 milliards d'années, le radium de 1 580 ans, le sodium de 15 heures.

Pour les déchets radioactifs, on parle de " vie courte " lorsque la période est inférieure à 5 ans et de " vie moyenne " lorsqu'elle est comprise entre 5 et 100 ans ; les noyaux dont la période dépasse 100 ans sont dits " à vie longue ". Les isotopes utilisés pour les diagnostics médicaux sont à vie très courte.

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-Période biologique

La période biologique mesure le temps qu'un atome absorbé (hydrogène, carbone, oxygène, calcium, etc.) passe dans le corps humain. Plus la période biologique est courte, moins un élément radioactif ingéré a de chances de se désintégrer durant son séjour dans l'organisme, et moins il est dangereux.

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-Criticité et réactivité d'un réacteur

Dans un réacteur ou une bombe atomique, le facteur de criticité k représente, pour chaque fission, le nombre moyen de neutrons arrivant à produire une seconde fission. Ce nombre détermine si la réaction en chaîne prend un tour explosif (k supérieur à 1) ou non (k inférieur à 1). La criticité doit rester égale 1 dans un réacteur. Les excursions de criticité au-dessus de cette valeur 1 ne sont tolérées que si elles sont brèves et ne dépassent pas les quelques pour mille. L'écart (k-1) à la valeur unité est appelé réactivité.

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-Le refroidissement des neutrons

Un réacteur conventionnel, utilisant comme combustible de l'uranium naturel ou peu enrichi, nécessite pour fonctionner des neutrons lents. Les neutrons, au moment où ils sont produits par une fission, sont trop rapides et il faut les ralentir. Les neutrons sont ralentis ou refroidis par une série de collisions avec des noyaux. Il faut éviter que trop de neutrons soient captés lors de ces collisions. Le refroidissement doit être rapide afin de minimiser le nombre de collisions.

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-Ionisation

Les particules électriquement chargées ont la faculté d'arracher des électrons appartenant aux atomes de la matière qu'elles traversent la matière. Ce phénomène est appelé ionisation, car les atomes qui ont perdu des électrons sont devenus des ions. En ionisant, les particules chargées perdent de leur énergie et se ralentissent. Les particules alpha et bêta sont capables d'ioniser des centaines de milliers d'atomes le long de leur parcours.

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-Modérateurs

On appelle modérateur, le milieu dans lequel est plongé le combustible d'un réacteur nucléaire conventionnel. Sans modérateur, un tel réacteur ne peut fonctionner. Le rôle du modérateur est de ralentir les neutrons pour favoriser les réactions de fission en chaîne. L'eau ordinaire ou lourde, bouillante ou sous-pression, est le milieu modérateur le plus utilisé. Dans ce cas, le milieu modérateur évacue aussi l'énergie produite dans le cœur du réacteur.

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-La capture des neutrons

Des neutrons sont captés par les noyaux qu'ils rencontrent dans les réacteurs. La probabilité de ces captures varie beaucoup avec l'énergie des neutrons. La capture la plus fréquente est la capture radiative. Le neutron capté se contente de provoquer une excitation dans le noyau, qui s'en débarrasse en émettant un photon (g) (capture radiative). Le noyau comportant un neutron de plus pouvant être radioactif, les neutrons sont capables d'activer la matière. Pour une poignée de noyaux, la capture est suivie d'une fission plutôt que de l'émission d'un (g).

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-Plutonium

Le plutonium est un élément chimique, plus lourd que l'uranium qui n'existe pas à l'état naturel et dont tous les isotopes sont radioactifs. Il est fabriqué dans les réacteurs à partir l'uranium-238. Son principal isotope, le plutonium-239, est fissile. Il est employé dans les bombes atomiques et comme combustible dans les réacteurs. Utilisé dans des réacteurs surgénérateurs à neutrons rapides, le plutonium-239 est régénéré temps qu'il est consommé. S'il n'est pas brûlé en réacteur, le plutonium devient un déchet radioactif dont la toxicité est importante. N évite sa dispersion en le conditionnant sous forme d'oxydes peu mobiles.

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-Uranium

L'uranium est l'élément chimique le plus lourd existant à l'état naturel. Tous ses isotopes sont radioactifs et il aurait disparu de notre environnement, si deux de ces isotopes, l'uranium-238 et l'uranium-235, n'avaient pas une durée de vie comparable à l'âge du système solaire. L'uranium-238 et l'uranium-235 sont, avec leurs descendants, à l'origine d'une partie de la radioactivité à laquelle nous sommes exposés.

L'uranium-235 est le seul noyau naturel aisément fissile. Il est très recherché, mais il est rare, l'uranium naturel étant constitué de 99,3 % d'isotope 238 et seulement 0,70 % d'isotope 235. Après enrichissement, l'uranium-235 sert de combustible dans les réacteurs nucléaires et d'explosif dans les bombes atomiques.

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-Produits de fission

On appelle produits de fission les noyaux produits par la fragmentation d'un noyau fissile. Immédiatement après la fission, ces fragments sont beaucoup trop riches en neutrons pour être stables. Très radioactifs, ils cherchent à retrouver la stabilité par une suite de désintégrations. Le retour à la stabilité prend un temps très variable. Les produits de fission constituent l'essentiel, avec les actinides, des déchets radioactifs que l'on retrouve lors de la décharge du combustible des réacteurs nucléaires. Dominants au départ, ils disparaissent plus rapidement que les actinides.

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-Les actinides

Les captures de neutrons dans le combustible des réacteurs nucléaires, ne provoquent pas toujours des fissions. Elles contribuent également à produire des noyaux plus lourds que l'uranium, appelés actinides. L'actinide le plus connu est le plutonium-239, qui est fissile. Les actinides (principalement des isotopes du neptunium, du plutonium, de l'américium et du curium) sont des noyaux instables, mais à durée de vie plus longue en général que les produits de fission. Leur relative abondance et ces durées de vie posent un problème pour le stockage des déchets radioactifs en provenance des réacteurs.

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-Poisons

Certains produits de fission ont la capacité d'entraver le fonctionnement des réacteurs nucléaires. Ce sont des noyaux susceptibles de capter très facilement des neutrons. Le plus connu est le xénon-135, qui s'accumule après l'arrêt d'un réacteur et empêche de le redémarrer pendant un ou deux jours.

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