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Fission nucléaire et Matières radioactives

Dans le domaine de la fission nucléaire et des matières radioactives, une certaine nervosité resurgit régulièrement quand il est question de sécurité et de sûreté.

Par contre, et à l’état naturel sur notre planète, il existe des matières radioactives depuis l’origine de sa création.

Ce qui n’a rien d’angoissant.

Certaines des matières radioactives qui se trouvent dans les sols, l’eau, les roches, le sable ou encore l’air, perdent leurs radioactivités depuis des milliards d’années..

Ainsi plusieurs matières n’existent d’ailleurs plus comme substances radioactives.

Tout simplement parce que leur durée de vie en millions d’années est terminée (voir Table de réduction).

Tout se transforme

Les matières radioactives naturelles sont donc des matières que l’on trouve en l’état dans notre environnement.

Elles contiennent des éléments radioactifs eux aussi d’origine naturelle.

A ce titre, la pechblende et la chalcolite sont respectivement quatre et deux fois plus actives que l’uranium par exemple.

Les matières radioactives naturelles sont principalement composées de potassium, d’uranium et de thorium.

En effet ces deux derniers éléments génèrent eux-mêmes du radium et du radon quand ils commencent à se désintégrer.

Depuis les travaux de Maria Salomea Skłodowska, à coté de ces matières radioactives naturelles, on trouve aussi maintenant d’autres matières artificielles résultant de la fission.

Il s’agit des isotopes de plutonium, des actinides (majeurs et mineurs) et des produits de fission (à vie moyenne ou longue).

La désintégration nucléaire

La radioactivité est un phénomène physique naturel par lequel des noyaux atomiques instables (dits radionucléides ou radio-isotopes) se transforment spontanément en d’autres atomes.

On nomme cette transformation, la désintégration.

De fait, la radioactivité est une propriété physique et non pas chimique.

Il s’agit du rayonnement fait par des atomes fusionnant ou se désintégrant.

Par contre ce rayonnement est de trois types :

  • α (noyaux d’hélium)
  • β (électrons)
  • γ (rayonnements électromagnétiques)

Ce sont les bases pour la fission nucléaire et les matières radioactives.

Matière et énergie

Au cours de leur désintégration les noyaux atomiques émettent simultanément des particules de matière : électrons, noyaux d’hélium, neutrons, etc…

Et aussi de l’énergie : photons et énergie cinétique.

L’énergie de liaison initiale excédentaire est alors émise sous forme de rayonnements.

C’est cela la combinaison de la fission nucléaire et des matières radioactives.

Quand la désintégration est spontanée, on la qualifie de radioactivité naturelle.

Quand elle résulte d’une réaction nucléaire, on la qualifie de radioactivité artificielle ou induite.

Par contre, toute désintégration radioactive donne naissance à un élément chimique différent.

Le taux de désintégration est inversement proportionnel à la période.

Quand les noyaux ne se désintègrent peu, ils sont peu actifs durant une longue période (comme l’uranium 238).

Par contre, quand ils se désintègrent beaucoup, ils restent très actifs pendant peu de temps.

C’est le cas par exemple de l’iode 131 qui a une grande activité mais qui décroît rapidement.

Sa radioactivité est divisée par 1000 tous les 80 jours.

Deux atomes peuvent aussi avoir un même nombre de protons et posséder un nombre différent de neutrons.

Ce sont alors des isotopes.

Quand le noyau d’un isotope est instable, il est alors radioactif.

Le phénomène est identique pour les isobares qui ont un nombre de protons différent.

Phénomènes naturels

La fusion et la désintégration d’atomes instables sont des phénomènes courants de la matière sur notre planète.

Le nombre de noyaux stables et de noyaux radioactifs naturellement présents sur la terre est d’environ 325.

Dans l’écorce terrestre, les radio-isotopes les plus fréquents sont l’isotope 40 du potassium et les isotopes de l’uranium et du thorium.

L’isotope 40 du potassium se désintègre lui-même en calcium 40 ou en argon.

Ainsi, l’iode 129 se crée naturellement lors des quelques fissions spontanées qui se produisent dans l’uranium naturel.

L’eau de mer avec une concentration en iode de 58 μg.l-1 est la principale source d’iode dans notre environnement terrestre.

Cela résulte d’évaporation, de transferts atmosphériques et de dépôts.

A l’inverse, l’iode fait partie des éléments les plus faiblement retenus dans les sols.

La fission nucléaire

La radioactivité de fission est la principale source de chaleur sur terre.

Elle est le moteur du volcanisme et de ses émissions de gaz à effet de serre car elle chauffe le magma.

De plus, la radioactivité de fission liquéfie la couche externe du noyau central.

Cela permet les mouvements à la base du magnétisme terrestre, bouclier magnétique essentiel à la vie sur Terre.

Ce bouclier protège toutes les espèces des rayons cosmiques à haute énergie et en particulier solaires.

Cela nous ramène à fission nucléaire et matières radioactives.

Réaction nucléaire

Dans le domaine de l’énergie nucléaire, il existe deux grands types de réaction nucléaire : la fission nucléaire et la fusion nucléaire.

La fission d’un atome est une transformation provoquée qui dégage de l’énergie se transformant en chaleur.

C’est là que l’homme intervient.

La fission nucléaire est l’éclatement d’un noyau instable (et dit fissible) en deux noyaux plus légers.

C’est par exemple, l’explosion d’un noyau d’uranium 235 que l’homme provoque par sa rencontre avec un neutron (particule sans charge électrique).

L’uranium 235 est d’ailleurs le seul élément naturellement fissile.

Cette explosion donne naissance à deux ou trois produits de fission qui sont des morceaux du noyau initial.

Dans le même temps, l’explosion donne aussi naissance à plusieurs neutrons.

Ils vont eux-mêmes provoquer d’autres fissions dans les noyaux voisins.

Toute cette mécanique se nomme la réaction en chaîne.

Dans un réacteur nucléaire, la réaction en chaîne est maîtrisée (contrôlée).

En effet, on peut contrôler la réaction nucléaire des noyaux d’atomes capables d’absorber les neutrons sans produits de fission (bore, cadmium, hafnium,…).

A l’inverse, quand on assemble deux noyaux d’atomes différents, c’est la fusion nucléaire.

Cela se produit toutes les secondes sur le soleil.

Fission et production

Par contre, la fission existe dans la nature mais elle est très rare.

Dans la nature également, seul l’isotope 235 de l’uranium est fissile.

  • Quand le noyau se désintègre en plusieurs morceaux sans absorption préalable d’une particule, c’est la fission spontanée.
  • Quand un noyau d’un atome lourd capture un neutron, c’est une fission induite.

Il est difficile par contre d’évaluer la nature et les quantités de radionucléides formés par fission.

Les fissions du plutonium 239 qui se forment dans les réacteurs à partir de l’uranium 238 ne produisent pas exactement les mêmes proportions d’atomes des différents éléments que dans le cas de l’uranium 235.

La réaction nucléaire contrôlée sert pour les centrales nucléaires. Les réactions non contrôlées servent pour les bombes atomiques.

Les deux types de fissions produisent ce que l’on nomme des produits de fission qui sont radioactifs.

Les produits de fission

Avec la fission d’atome, trois groupes de produits se forment :

  • des isotopes de plutonium
  • des actinides (majeurs et mineurs)
  • les produits de fission (à vie moyenne ou longue)

Une autre catégorie se forme aussi.

Mais elle résulte d’un certain nombre de réactions nucléaires dans les matériaux de structure du réacteur ou sur des impuretés.

Ce sont les produits d’activation (comme par exemple le tritium).

Les produits de fission regroupent les différents atomes issus d’une réaction de fission.

Ce sont les restes d’un noyau lourd d’uranium ou de plutonium.

Le noyau se fragmente généralement en deux morceaux de tailles inégales.

Ainsi les produits de fission héritent de la proportion de neutrons du noyau qui a subi la fission.

Par contre sont en majorités des isotopes très instables.

Catégories des déchets nucléaires

  • 1 – Vie très courtes (VTC)
  • 2 – Très faible activité (TFA),
  • 3 – Faible et moyenne activité à vie courte (FMA-VC),
  • 4 – Faible activité à vie longue (FA-VL),
  • 5 – Moyenne activité à vie longue (MA-VL),
  • 6 – Haute activité (HA)

Article : P. du Chélas

Fusion nucléaire

Nucléaire et la Radioactivité naturelle

Radioactivité de l’air

Durée de vie d’un déchet radioactif et décroissance

Nucléaire et sécurité

Pollution Nucléaire et déchets radioactifs

Centres nucléaires et production

Nucléaire et sécurité

Tableau des durées de vie des matières nucléaires



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