Les matières radioactives et l’énergie nucléaire

Introduction

L’énergie nucléaire est l’une des alternatives aux énergies fossiles (épuisables), bien qu’elle suscite des inquiétudes.

La pollution nucléaire est une menace pour l’environnement et pour la santé. L’utilisation de l’énergie nucléaire doit donc être accompagnée rigoureusement de plusieurs précautions.

• Quels sont les avantages de l’énergie nucléaire ?

• Quels problèmes pausent les déchets nucléaires pour l’Homme et pour l’environnement ?

I – La radioactivité et les éléments radioactifs

1 – Organisation d’un noyau atomique

La figure suivante présente la structure de l’atome

Q – Décrivez la structure de l’atome.

R – Le noyau de l’atome est constitué de neutrons et de protons, tel que :

• Z = nombre de protons, il est caractéristique de chaque élément chimique, si le numéro atomique change le nom de l’élément change aussi.

• A = le nombre de masse (nucléons), c’est la somme des protons et des neutrons.

• N = A-Z est le nombre des neutrons.

• Chaque élément chimique est représenté par l’écriture suivante : zAX. Les atomes qui ont le même numéro atomique mais des nombres de masse différents sont appelés isotopes

2 – La radioactivité

La figure 1 montre les étapes de la désintégration de l’uranium, la figure 2 présente un schéma explicatif de la demi-vie, alors que la figure 3 présente les types de radiations nucléaires émissent lors des réactions nucléaire.

Q-1 – À l’aide de la figure 1, définissez la désintégration nucléaire.

Q-2 – À l’aide de la figure 2, définissez la période de la demi-vie.

Q-3 – À l’aide de la figure 3, décrivez les différents types de radiations nucléaires.

R-1 – La désintégration : c’est un changement spontané, non réversible, d’un noyau radioactif, non stable, en un autre noyau avec émission de particules.

R-2 – La demi-vie correspond à la durée au bout de laquelle la quantité des nucléides radioactifs, présents dans l’échantillon de départ, est réduite de moitié.

R-3 – Les noyaux atomiques émettent des radiations sous forme de particules :

• Particules α : sont des noyaux d’hélium de faible énergie, elles parcourent quelques cm dans l’air, une feuille de papier les arrête.

• Particules β : sont des électrons ou des positrons, parcourent quelque cm a quelques mètres dans l’air. Une feuille d’aluminium les arrête.

• Particules Ɣ : 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.

Remarque : La radioactivité artificielle (la fission nucléaire) : elles s’effectuent dans les centrales nucléaires en utilisant le nucléide d’uranium qui est bombardé par des neutrons. La fission aboutit à la libération d’une quantité d’énergie impressionnante que l’on peut exploiter de plusieurs façons. Les particules libérées au cours de la fission provoquent des vibrations thermiques au sein du réacteur qui provoque une importante augmentation de la température. Cette énorme chaleur et exploitée pour produire de l’énergie.

II – Utilisation de la radioactivité

1 – La production de l’énergie nucléaire

La figure suivante présente un schéma qui illustre le mécanisme de fonctionnement d’une station nucléaire.

Q – Expliquer le mécanisme de la production de l’énergie électrique à partir de l’énergie nucléaire.

R – La production de l’énergie électrique à partir de l’énergie nucléaire se fait par les étapes suivantes :

• La fission en chaîne dans un réacteur dégage de l’énergie utilisée pour chauffer de l’eau (dans le circuit primaire).

• Cette eau est utilisée pour le chauffage est la vaporisation de l’eau contenue dans un circuit secondaire.

• La vapeur d’eau ainsi produite, permet la rotation d’une turbine qui produit de l’énergie mécanique, qui est convertie par un alternateur en énergie électrique.

• L’électricité produite est distribuée par un réseau de haute tension.

2 – La datation absolue

Q – À l’aide des figures du manuel scolaire, expliquer le principe de l’utilisation de la radioactivité dans la datation.

R –

Selon le principe de la décroissance radioactive, les éléments radioactifs et leurs isotopes sont utilisés pour dater les restes d’organismes (fossiles), les minéraux et les roches.

Exemple de la datation au 14C : Le noyau du 14C se forme dans les couches supérieures de l’atmosphère à partir de l’azote. Et ceci sous l’effet des neutrons qui proviennent de l’espace.

Les plantes absorbent le 12C et le 14C sous forme de dioxyde de carbone CO2. Le carbone passe aux animaux suivant les chaînes alimentaires. Après la mort d’un être vivant l’absorption du 14C s’arrête, et ce dernier diminue au fil du temps suite à sa désintégration (radioactivité naturelle). Sachant que la demi-vie du 14C est de 5730 ans, on compare la radioactivité résiduelle a dans le reste de la plante ou de l’animal avec la radioactivité a0 d’une plante ou d’un animal vivant comparable avec le fossile. On peut donc dater la mort de l’être vivant grâce à la radioactivité naturelle.

Remarque : Les isotopes à demi-vies élevées sont utilisés pour dater les événements très anciens (uranium). Ceux à demi-vie réduite sont utilisés pour dater les événements récents :

• Pour dater un objet remontant à l’Antiquité on utilise le 14C.

• Pour dater une roche vieille de quelques dizaines à quelques centaines de millions d’années, on utilise le couple Rubidium-Strontium (Rb / Sr).

3 – Utilisation de la radioactivité dans l’industrie

Q – À l’aide des figures du manuel scolaire, citer quelques exemples de l’utilisation de la radioactivité dans l’industrie.

R –

Dans les secteurs agricole et agroalimentaire, la radioactivité est utilisée par exemple pour la protection des cultures contre les insectes ou la conservation des aliments.

Le traitement avec les radiations ionisantes est une méthode physique destinée à la stérilisation de quelques aliments comme les épices. Ainsi on peut augmenter la période de conservation de ces produits. Ce traitement est complémentaire à la congélation, au traitement chimique et à la cuisson.

Les aliments sont exposés aux rayons issus du Cobalt 60 radioactive, aux rayons X ou à un faisceau d’électrons. Il faut prendre des précautions en ce qui concerne les doses de radiation pour ne pas rendre les aliments toxiques. Ce traitement inhibe la germination des graines et des spores, empêche le développement des insectes et tue les micro-organismes pathogènes.

4 – Les utilisations de la radioactivité dans le domaine médical

Q – À l’aide des figures du manuel scolaire, citer quelques exemples de l’utilisation de la radioactivité dans le domaine médical.

R –

• Le diagnostic médical

L’imagerie médicale utilisant le scanner et autres appareils se base sur les rayons X pour produire une image en 2D ou en 3D de l’organe exploré.

La technique de la scintigraphie se base sur l’injection au patient d’une quantité très faible d’une substance radioactive qui diffuse dans l’organisme et se fixe sur un ou plusieurs organes. Avec une caméra spéciale on détecte les radiations émises par l’organe.

• La radiothérapie

Les radiations ionisantes sont utilisées de façon ciblée pour tuer les cellules cancéreuses au niveau d’une tumeur. Cette technique a profité du développement de l’informatique et de l’imagerie médicale. En effet la précision a permis de cibler les cellules en question et utiliser les doses de radiations optimales pour atteindre l’objectif sans endommager les cellules saines.

III – Les dangers de la pollution nucléaire

1 – Les dangers de la pollution nucléaire sur la santé

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. Ces émissions peuvent être de grande ampleur suite à un accident nucléaire (cas de l’explosion du réacteur de Tchernobyl (Ukraine, 1986) et de Fukushima (Japon, 2011)).

• Par rapport à la santé publique, les rayonnements radioactifs augmentent les risques de cancer et de malformations embryonnaires par mutations génétiques.

• Dans l’environnement, les polluants radioactifs peuvent rapidement contaminer tous les niveaux trophiques entraînant une diminution de la biodiversité et un déséquilibre des écosystèmes.

2 – Gestion des déchets nucléaires

Le stockage des déchets radioactifs est un sérieux problème environnemental, puisque les éléments radioactifs continuent leur désintégration sur une longue durée, ainsi le stockage de ce type de déchets demanderait une durée d’ordre géologique (très longue).

Les déchets radioactifs sont confinés dans du verre (vitrifiée) ou du béton, puis placés dans des colis de stockage. 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.