Notes sur le cours sur l’énergie nucléaire
I. Radioactivité
I. 1. La structure de la matière :
- La matière est formée de minuscules entités : les atomes.
- Chaque atome est constitué d’un noyau autour duquel tournent très rapidement des électrons.
- Dans le noyau d'un atome il y a des protons et des neutrons.
I. 2. Noyau instable
- Noyau instable è émission d’un rayonnement (désintégration)
- C’est ce phénomène qu’on appelle radioactivité.
I. 3. Différents types de rayonnement : alpha, bêta et gamma.
- La radioactivité alpha se traduit par l’émission d’un petit noyau, constitué de deux protons et de deux neutrons, appelé particule alpha.
Ce rayonnement est peu pénétrant, quelques centimètres d’air ou une feuille de papier suffisent à l’arrêter.
- La radioactivité bêta se traduit par l’émission d’un électron ou d’un anti-électron.
Ce rayonnement est stoppé par une vitre ou quelques centimètres d’aluminium.
- La radioactivité gamma se traduit par l’émission de ph**ons très.
Il faut de fortes épaisseurs de béton ou de plomb pour stopper les rayonnements gamma.
I. 4. Période / demie-vie
- Ces désintégrations ne se font pas instantanément. En fait, on considère un ensemble de noyaux à un instant t ; le temps nécessaire pour que le nombre de noyaux initiaux soit divisé par 2 s'appelle la demi-vie. Ce temps caractéristique diffère pour chaque noyau et peut être de l'ordre de la milliseconde à plusieurs centaines de milliers d'années. Plus un noyau a une durée de demi-vie courte plus il sera radioactif, et inversement. Notons qu'à chaque fois qu'un noyau émet une radiation, c'est qu'il s'est désintégré : il a donc définitivement disparu. Par exemple, après 10 demi-vie, il ne reste plus que 1 millième 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 différence entre les radiations émises par la radioactivité naturelle (i.e., celles émises par les atomes présents dans la nature) et les radiations ``artificielles'' : ce terme, signifie que ce sont les noyaux radioactifs qui ont été formés ``artificiellement'' (par des réactions nucléaires sur des atomes de la nature.
II. Que se passe-t-il au centre du réacteur d’une centrale nucléaire ?
La fission nucléaire
- C’est grâce à l’uranium, un métal relativement abondant dans l’écorce terrestre, que fonctionnent les centrales nucléaires.
- A l’origine de la réaction 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 appelée réaction de fission et un atome qui a la faculté de se diviser en deux est dit « fissile ». C’est le cas de l’Uranium 235 et du Plutonium 239.
- Cette réaction s’accompagne d’un grand dégagement d’énergie sous forme de chaleur.
- La fission est utilisée dans les réacteurs nucléaires où on maîtrise les réactions en chaîne pour produire de l’énergie.
- Lors de la fission, l’atome d’Uranium est divisé en deux atomes (appelés produits de fission) et émet deux ou trois neutrons. Cette réaction s’accompagne de rayonnements alpha, bêta et gamma.
- Les neutrons émis lors de la réaction de fission sont susceptibles, à leur tour, de provoquer une réaction de fission d’un atome d’uranium. La réaction nucléaire peut ainsi se poursuivre de proche en proche. C’est ce que l’on appelle la réaction en chaîne.
- L’énergie dégagée devient très vite considérable. Sans précautions, la réaction en chaîne conduit à une explosion : c’est ce qui se produit dans une bombe atomique.
- Dans un réacteur nucléaire, la réaction en chaîne est maîtrisée par un modérateur qui absorbe les neutrons. Ceci permet de maintenir un taux de fission constant.
Aller sur le site du CEA (Commissariat à l’Energie Atomique) :
http://www.cea.fr/ (espace jeunes)
III. Rayonnement : unités et ordres de grandeurs
Nous venons de voir que la réaction de fission était accompagnée d’une émission de rayonnements radioactifs particulièrement nocifs dont il faut se protéger.
La nécessité de se protéger des radiations apparut très peu de temps après la découverte de la radioactivité. Après sa découverte des rayons uraniques, Becquerel s’aperçut qu’un tube de matière radioactive, gardé dans la poche de sa veste, avait provoqué une brûlure comparable à un coup de soleil.
III. 1. La radioactivité
- L’activité d’un élément, c’est-à-dire son degré de radioactivité, de mesure en Becquerel (Bq). Le Becquerel indique en fait le nombre de désintégrations par seconde d’un atome. Ainsi une désintégration par seconde correspond à 1 Bq, dix désintégrations par seconde à 10 Bq.
- Il est important de bien noter que l'activité d'une substance va dépendre directement de la quantité de matière radioactive, qu'elle soit solide, liquide ou gazeuse.
- Le Becquerel est une petite unité, voici quelques repères de valeurs :
1 homme (70kg) à 7000 Bq
1 litre de lait à 80 Bq
1 litre d'eau de pluie à 0.3 à 1 Bq
1 kg de sol sédimentaire à 400 Bq
1 kg de sol granitique à 8000 Bq
1 kg d’Uranium
III. 2. L’impact du rayonnement radioactif sur la matière
- Il s’organise dans deux directions : son pouvoir de pénétration et son pouvoir d’ionisation.
- Pouvoir de pénétration : le rayonnement va pénétrer plus ou moins de matière vivante et agir sur les atomes ou groupes d’atomes qu’il traverse.
- Pouvoir ionisant : le rayonnement est capable d’arracher des électrons aux atomes pour former des ions.
III. 3. Dose Absorbée, Dose Équivalente et Dose Efficace
- La dose absorbée donne une mesure de la quantité de radiation absorbée par la matière ; elle se mesure en Gray (Gy). Un Gray = 1 joule absorbé par kilogramme de matière. La dose absorbée ne dépend pas du type de radioactivité (alpha, beta, gamma).
- On parlera de débit de dose si on fait intervenir le temps : Un débit de dose de 1 Gy/h n'aura pas les mêmes effets s'il est subi pendant quelques minutes ou quelques millisecondes !
- La dose équivalente permet de prendre en compte l'effet des différents types de radioactivité sur les tissus vivants ; par exemple, 1 gray de radiation alpha aura plus d'effets qu'un gray de radiation bêta. La dose équivalente se mesure en Sievert (Sv) ; c'est en fait la dose absorbée multipliée par un facteur de pondération du rayonnement. Un sievert représente une dose très élevée et on parle généralement de milli-sievert (1 mSv=10-3 Sv).
- Le débit d'équivalent de dose fait intervenir le facteur temps : Les effets de la radioactivité 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 à la radiation. Elle se mesure aussi en sievert. C'est la dose équivalente multipliée par un facteur de pondération tissulaire. Ce facteur dépend non seulement de la radiosensibilité de chaque organe, mais aussi de la gravité (donc de la mortalité) des cancers radio-induits.
- Les chiffres donnés dépendent du lieu, de l’année de la source. Il faut retenir qu’en France les effets de la radioactivité naturelle (terre, rayonnement cosmique, Radon dans l’air, ingestion d’aliments…) sur notre corps sont du même ordre de grandeur que les effets de la radioactivité artificielle (médecine, industries, nucléaire). La part du nucléaire d’après les chiffres donnés est négligeable (0,5 % du total).
III. 4. Quels risques pour quelles doses ?
Les effets sur l'organisme dépendent de la dose reçue mais la durée pendant laquelle cette dose a été reçue est un facteur très important.
- Indication des effets probables pour différentes doses reçues par un homme en fonction le temps pendant lequel cette dose à été reçue :
1 000 000 mSv en une fois : mort dans les minutes qui suivent l’irradiation
10 000 mSv en une fois (temps court inférieur à quelques heures) : dommages immédiats, très sévères entraînant la mort en quelques semaines.
6000 mSv en une fois : 90 % de mortalité dans les mois qui suivent l’irradiation
Entre 2000 et 4 000 mSv en une fois : dommages sérieux mais non définitifs.
50 mSv/an est la plus petite dose à partir de laquelle on ne peut prouver l'apparition de cancers (cette dose est aussi la radioactivité naturelle de plusieurs lieux sur Terre). Au delà de cette valeur, le nombre de cancers (mais pas de leur gravité) augmente avec la dose.
Limite de dose annuelle réglementaire : 5 mSv
20 mSv/an moyenné sur 5 ans : c'est la limite légale que peuvent recevoir les travailleurs du nucléaire.
Rq : Limite de dose annuelle réglementaire pour les travailleurs du nucléaire : 50 mSv au cours d’une année quelconque
2-10 mSv/an : radioactivité naturelle moyenne (peut être beaucoup plus élevée)
1 mSv/an : c'est la limite légale que peut recevoir le public (au dessus de la radioactivité naturelle).
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