Transmutation

Définition de la transmutation

Commençons par examiner la définition de la transmutation.

Fondamentalement, on parle de "transmutation" lorsqu'un élément se transforme en un autre élément par le biais d'un processus nucléaire quelconque.

Les causes de la transmutation

Il existe deux grands types de transmutation :

1. Les réactions nucléaires

2. La désintégration radioactive

Il existe deux "causes" principales de transmutation : naturelle et artificielle. Décomposons-les, voulez-vous ?

Transmutation naturelle

Concentrons-nous d'abord sur la transmutation naturelle.

La désintégration radioactive

La désintégration radioactive se produit naturellement lorsqu'un noyau devient trop instable. Pour se stabiliser, il émet des rayonnements sous forme de particules, comme des neutrons ou des particules alpha (noyau d'hélium)

Par exemple, voici le processus par lequel le radium 226 émet une particule alpha pour devenir le radon 222 :

Fig.1-Désintégration radioactive du radium-226

Le nombre en haut à gauche est la masse atomique, qui est égale au nombre de protons + neutrons. Le nombre en bas à gauche est le numéro atomique, qui est égal au nombre de protons. Chaque élément a un numéro atomique unique, donc un changement de protons entraîne un changement d'élément.

Dans ce cas, le radium perd deux protons lorsqu'il émet la particule alpha, ce qui le fait devenir radon.

Réactions nucléaires

La principale réaction nucléaire naturelle est la nucléosynthèse stellaire.

Fig.2 - Le processus de fusion solaire

En fait, différents noyaux d'hydrogène se sont heurtés les uns aux autres jusqu'à ce qu'ils aient suffisamment de protons et de neutrons pour former un atome d'hélium stable.

Transmutation artificielle

Parlons maintenant de la transmutation artificielle.

Lorsque des particules provenant d'un accélérateur linéaire, d'un cyclotron ou d'un synchrotron frappent des atomes d'un élément, l'atome se modifie d'une certaine manière. C'est ce qu'on appelle la transmutation "artificielle" ou "induite". Tous les éléments dont le numéro atomique est supérieur à 92, comme le plutonium, sont fabriqués par l'homme grâce à un processus appelé transmutation. La plupart des réactions nucléaires impliquent la transmutation artificielle d'éléments, mais elles sont généralement appelées "fission", "fusion" ou "irradiation" au lieu de "transmutation".

Fig.3 - Un accélérateur linéaire

En utilisant des accélérateurs de particules qui bombardent des éléments avec des particules alpha, des deutérons ou de petits noyaux, il est possible de changer un élément en un autre. Certains protons provenant des particules bombardantes restent coincés dans le noyau de l'élément cible, ce qui accélère la transformation. Dans un réacteur nucléaire, les neutrons frappent le noyau cible, ce qui fait éclater les noyaux.

Lors des premiers essais, un noyau a été frappé par des particules alpha de bismuth-214 (^214Bi) qui se déplaçaient très rapidement. Rutherford a réalisé la première réaction nucléaire avec ces particules alpha et de l'azote en 1919. Dans cette réaction, un noyau d'hélium en mouvement rapide a réagi avec un noyau d'azote en mouvement lent pour former deux nouveaux noyaux et un proton. Cela a montré que les éléments peuvent se transformer en d'autres choses.

Exemples de transmutation artificielle

Voici quelques exemples de transmutation artificielle :

1-En faisant entrer une particule alpha dans le noyau de l'azote, tu peux le transformer en oxygène. Dans le cadre de cette transformation, un seul atome d'hydrogène est produit.

$$^{14}_7Ne + ^4_2He \rightarrow ^{17}_8O + ^1_1H$$$

2-L'ajout d'une particule alpha au noyau de l'aluminium le transforme en phosphore. À la suite de ce changement, un neutron est fabriqué.

$$^{27}_{13}Al + ^4_2He \rightarrow ^{30}_{15}P + ^1_0n$$$

Il est important de se rappeler que les trois "lois de conservation" s'appliquent aux réactions nucléaires :

• La charge reste la même, ce qui signifie que le total des charges à gauche est le même que le total des charges à droite.
• Dans une réaction nucléaire, le nombre de nucléons ne change pas.
• La relation entre la masse et l'énergie est stable.

La fission nucléaire

Nous avons parlé précédemment de la fusion nucléaire, mais il existe également une réaction "opposée" appelée fission nucléaire

Par exemple, voici la fission de l'uranium suite à une collision avec un neutron :

Fig.4 - Fission nucléaire de l'uranium

Lorsqu'un neutron entre en collision avec un atome plus gros, ce dernier est excité et se divise en deux atomes plus petits. Ces atomes plus petits sont appelés produits de fission. Des neutrons sont également émis, ce qui peut déclencher une réaction en chaîne. Lorsque chaque atome se brise, il dégage une énorme quantité d'énergie.

L'uranium et le plutonium sont le plus souvent utilisés dans les réacteurs nucléaires pour les réactions de fission parce qu'ils sont faciles à démarrer et à contrôler. Dans ces réacteurs, la fission dégage de l'énergie qui chauffe l'eau pour produire de la vapeur. La vapeur fait tourner une turbine pour produire de l'électricité qui ne contient pas de carbone.