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Les réactions nucléaires

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Objectifs

Connaitre les réactions de fusion et de fission nucléaire.
Savoir qu’au cours d’une réaction nucléaire, il y a conservation du nombre de nucléons et des charges électriques.
Connaitre le type de réaction nucléaire ayant lieu au sein d’une centrale nucléaire et au sein du Soleil.

Points clés

Une réaction nucléaire est une transformation de noyaux atomiques. Les éléments chimiques sont donc modifiés.
Au cours d’une réaction nucléaire, il y a conservation :
- du nombre de nucléons (A) ;
- du nombre de charges électriques (Z).
Au sein d’une centrale nucléaire se déroule une réaction de fission nucléaire, dans laquelle un noyau lourd et instable se casse en noyaux plus légers, ce qui libère des protons et de l’énergie. C’est une réaction en chaine.
Au sein du Soleil se déroule une réaction de fusion nucléaire, dans laquelle deux noyaux légers fusionnent pour former un noyau plus lourd, ce qui libère de l’énergie. Ce n’est pas une réaction en chaine.

Pour bien comprendre

Les constituants de l’atome
Le symbole des noyaux atomiques ()

1. Les réactions nucléaires

a. La définition d'une réaction nucléaire

Une réaction nucléaire est une réaction au cours de laquelle il y a modification de noyaux atomiques : les éléments chimiques ne sont donc pas conservés, contrairement aux réactions chimiques.

Des noyaux, et éventuellement des particules libres, entrent en collision pour former d’autres noyaux et éventuellement des particules libres.

Une particule libre est une particule seule, qui peut être :

un neutron, de symbole ;
un électron, de symbole ;
un positon, de symbole ;
un proton, de symbole .

b. L'équation d'une réaction nucléaire

L’équation d’une réaction nucléaire fait apparaitre le symbole des noyaux et des particules libres initiaux et finaux.

Au cours d’une réaction nucléaire, il y a conservation :

du nombre de nucléons (A) :
A₁ + A₂ = A₃ + A₄ ;
du nombre de charges électriques (Z) :
Z₁ + Z₂ = Z₃ + Z₄.

Exemples
Voici deux réactions nucléaires au cours desquelles on obtient un noyau d’iode (I) et deux protons.

Le bombardement d’un noyau de tellure (Te) avec un proton :
Cette équation rend bien compte de la conservation :
- du nombre de nucléons : 124 + 1 = 123 + 2 × 1 ;
- du nombre de charges électriques : 52 + 1 = 53 + 0.
La fusion d’un noyau d’antimoine (Sb) avec un noyau d’hélium (He) :
Cette équation rend bien compte de la conservation :
- du nombre de nucléons : 121 + 4 = 123 + 2 × 1 ;
- du nombre de charges électriques : 51 + 2 = 53 + 0.

Il existe trois principaux types de réactions nucléaires :

les réactions de fission nucléaire ;
les réactions de fusion nucléaire ;
les réactions de désintégration spontanée (non abordées ici).

2. La fission nucléaire - exemple des réactions dans les centrales nucléaires

a. La définition d'une fission nucléaire

Certains noyaux atomiques contiennent beaucoup de protons (+). Or les charges égales se repoussent, ce qui rend ces noyaux instables.

À la moindre perturbation, un noyau instable se scinde en plusieurs noyaux plus légers, c’est-à-dire qui contiennent moins de nucléons : c’est une fission nucléaire.

Un noyau pouvant subir une fission est dit fissile.

b. Les fissions nucléaires dans une centrale nucléaire

Dans les centrales nucléaires, on utilise l’uranium 235 comme noyau fissile.

On bombarde l’uranium 235, le noyau père, de neutrons pour donner naissance à deux noyaux fils et deux neutrons.

Les neutrons libérés cassent les noyaux d’uranium 235 voisins en libérant d’autres neutrons, qui vont à leur tour casser des noyaux voisins, etc. : c’est une réaction en chaine.

Différentes réactions peuvent avoir lieu dans une centrale nucléaire.

Une des plus courantes est la suivante.

Le noyau père est l’uranium 235 ().
Les noyaux fils sont les strontium 94 () et le xénon 140 ().

La fission de l’uranium au sein d’une centrale nucléaire

Au cours d’une réaction de fission, il y a libération d’énormément d’énergie thermique, beaucoup plus qu’une réaction chimique comme les combustions.

Exemple
La fission de 1 g d’uranium 235 libère environ 80 milliards de joules d’énergie thermique, soit presque 2 millions de fois plus d’énergie que la combustion de 1 g de méthane.

Dans les centrales nucléaires, cette énergie thermique est convertie en énergie électrique.

3. La fusion nucléaire - exemple des réactions dans le Soleil

a. La définition de la fusion nucléaire

Une fusion nucléaire est la réaction au cours de laquelle deux noyaux légers, c’est-à-dire constitués de peu de nucléons, fusionnent pour former un noyau plus lourd.

Une réaction de fusion nucléaire libère une quantité d’énergie colossale, beaucoup plus importante qu’une réaction de fission.

Les noyaux légers qui fusionnent sont des isotopes de l’hydrogène et de l’hélium.

Pour initialiser une fusion nucléaire (rapprocher des noyaux jusqu’à ce qu’ils fusionnent), il faut une température très élevée (jusqu’à 200 millions de degrés Celsius), ainsi qu’une forte pression. C’est ce défi technique qui rend très compliqué la réalisation d’une fusion sur Terre.

La bombe H et le cœur des étoiles sont le siège de réactions de fusion.

b. Les fusions nucléaires dans le Soleil

Dans le Soleil, ce sont deux isotopes de l’hydrogène, un noyau de deutérium () et un noyau de tritium (), qui fusionnent pour former un noyau d’hélium en libérant un neutron.