Savais-tu que les réactions nucléaires sont différentes des réactions chimiques ?
Dans les réactions nucléaires, les noyaux atomiques passent d'un état à un autre. Les réactions nucléaires sont responsables de la formation de la quasi-totalité des gros atomes de l'univers et de la production d'énergie solaire dans l'intérieur chaud et à haute pression du Soleil. Les réactions nucléaires peuvent même être utilisées pour produire de l'électricité dans les centrales nucléaires et diagnostiquer des maladies dans les hôpitaux.
- Ce résumé de cours porte sur les réactions nucléaires.
- Tout d'abord, nous allons présenter ce que sont l'atome et les isotopes.
- Ensuite, nous parlerons de la différence entre les réactions nucléaires et les transformations chimiques.
- Ensuite, nous explorerons les réactions de fusion et fission nucléaires.
- Enfin, nous examinerons l'explosion nucléaire et la production d'électricité à partir des réacteurs nucléaires.
Réactions nucléaires et atomes
L'atome, élément de base de la chimie, est la plus petite unité de matière qui peut avoir une charge neutre.
Les atomes des différents éléments chimiques ont un nombre différent de neutrons, de protons et d'électrons, ce qui leur confère leurs propriétés distinctives.
Les protons et les neutrons sont les particules qui existent dans le noyau de l'atome. Les électrons se déplacent autour du noyau.
Les atomes sont classés par leur numéro atomique, qui identifie le nombre de protons présents dans le noyau. Le nombre de protons varie d'un élément à l'autre.
Noyaux atomiques
Le noyau atomique est une région très dense de charge positive au centre de l'atome, composée de particules subatomiques appelées protons et neutrons.
Le noyau étant chargé positivement, il produit une force électrostatique qui attire les électrons chargés négativement et les maintient liés à l'intérieur de l'atome. De nombreuses propriétés du noyau déterminent les propriétés de l'atome dans son ensemble. Par exemple, la taille, la stabilité et la radioactivité d'un atome sont essentiellement déterminées par le noyau.
Isotopes
Lorsqu'un élément possède un nombre différent de neutrons et de protons, on parle d'isotope. Les isotopes sont présents dans la nature, mais peuvent également être produits en laboratoire. L'hydrogène possède trois isotopes naturels, énumérés ci-dessous :
Le protium, qui possède un électron et un proton.
Le deutérium, qui possède un électron, un proton et un neutron.
Le tritium, qui possède un électron, un proton et deux neutrons.
Réaction chimique
La réaction chimique est produite lorsque des liaisons chimiques entre les atomes sont formées ou rompues. Les substances qui entrent dans une réaction chimique sont appelées les réactifs, et les substances produites à la fin de la réaction sont appelés les produits.
Chimie nucléaire
La chimie nucléaire est la chimie qui traite de la radioactivité, des réactions nucléaires et des propriétés nucléaires.
La chimie nucléaire est un sous-domaine de la chimie qui étudie les changements qui se produisent dans le noyau des éléments.
Que sont les réactions nucléaires ?
Les réactions nucléaires sont des processus au cours desquels un ou plusieurs nucléides sont produits à la suite de collisions entre deux noyaux atomiques ou entre un noyau atomique et une particule subatomique.
Les nucléides produits par les réactions nucléaires sont différents des noyaux qui réagissent (communément appelés noyaux parents).
Transformation chimique et nucléaire : Quelle est la différence ?
Le changement qui se produit lors d'une réaction nucléaire est différent du changement qui se produit lors d'une réaction chimique. Les transformations chimiques se produisent lorsque des électrons sont échangés entre au moins deux atomes en interaction.
Même si les transformations chimiques produisent des composés chimiques différents, l'identité des atomes reste la même. Cela signifie qu'il y a le même nombre et le même type d'atomes dans les réactifs et les produits, ils sont simplement combinés de différentes manières.
Au cours d'une réaction nucléaire, les neutrons et les protons peuvent changer et des noyaux entiers peuvent se combiner ou se briser. Ces changements aboutissent souvent à la transformation d'un atome d'un élément en un atome d'un élément complètement différent.
Les processus de transformation s'accompagnent généralement de changements d'énergie extrêmement importants, qui peuvent être jusqu'à un million de fois supérieurs à la quantité d'énergie libérée lors de réactions chimiques conventionnelles.
Ces différences entre les transformations chimiques et les réactions nucléaires peuvent être résumées dans le tableau suivant.
| Transformations chimiques | Réactions nucléaires |
| Elles ont lieu entre les électrons des couches externes de l'atome. | Elles ont lieu entre les noyaux des atomes. |
| Elles ne provoquent pas la transformation d'un élément en un autre. | Elles peuvent provoquer une transformation de l'isotope d'un élément ou transformer un élément en un autre élément. |
| Elles donnent les mêmes produits de la réaction, même avec des isotopes différents des mêmes éléments. | Elles donnent des produits différents avec des isotopes différents du même élément. |
| Elles produisent de petites quantités d'énergie. | Elles produisent de grandes quantités d'énergie. |
Fusion nucléaire
La fusion nucléaire est la combinaison ou la fusion d'au moins deux noyaux atomiques en un seul noyau.
Des particules subatomiques telles que des neutrons ou des protons sont également formées comme produits dans ces réactions nucléaires.
La réaction de fusion nucléaire entre le deutérium \( ^{2} _{1}H \) et le tritium \( ^{3} _{1} H \) qui produit de l'hélium \( ^{4} _{2} He \) et un neutron \( ^{1} _{0}n \) .
De telles réactions de fusion se produisent au cœur du soleil et d'autres étoiles. La fusion des noyaux de deutérium et de tritium s'accompagne d'une perte d'environ \( 0{.}188 \ uma \) de masse (qui est entièrement convertie en énergie). Environ \( 1.69 \times 10^{9} \) kilojoules d'énergie sont générés pour chaque mole d'hélium formée.
Fig. 1- Le processus de fusion nucléaire
Fission nucléaire
La fission nucléaire est la division d'un noyau atomique en deux noyaux ou en noyaux plus légers. Ce processus peut se produire par une réaction nucléaire ou par désintégration radioactive.
Les réactions de fission nucléaire libèrent souvent une grande quantité d'énergie, qui s'accompagne de l'émission de neutrons et de rayons gamma (photons contenant d'énormes quantités d'énergie, suffisantes pour faire tomber les électrons des atomes).
Fig. 2- Le processus de la fission nucléaire.
Un exemple de fission nucléaire est la division de l'uranium \( 235 \) . L'équation de la réaction est donnée ci-dessous :
L'autre exemple de fission nucléaire est la fission de l'uranium \( 233 \) . L'équation de la réaction est donnée ci-dessous :
La fission du plutonium 239 est l'autre exemple de fission nucléaire donné ci-dessous :
Centrale nucléaire
L'énergie nucléaire est la plus controversée de toutes les formes de production d'électricité. Pour évaluer son importance, il faut tenir compte de considérations politiques, stratégiques et souvent émotionnelles, ainsi que des facteurs techniques, économiques et environnementaux plus habituels, qui constituent les éléments fondamentaux de toute technologie de production d'électricité.
Qu'est-ce qu'un réacteur nucléaire ?
Les réacteurs nucléaires sont le cœur d'une centrale nucléaire. Ils contiennent et contrôlent les réactions nucléaires en chaîne qui produisent de la chaleur par un processus physique appelé fission nucléaire. Cette chaleur est utilisée pour produire de la vapeur qui fait tourner une turbine pour créer de l'électricité.
Prenons l'exemple d'une centrale de production d'énergie, par exemple une centrale qui brûle du charbon pour produire de l'énergie thermique, laquelle fait probablement tourner des turbines pour produire de l'énergie mécanique qui peut être convertie en électricité. Où se situe donc le rôle de la fission nucléaire dans un réacteur nucléaire ?
Comment fonctionne un réacteur nucléaire ?
La même chose se produit dans un réacteur nucléaire, à la différence que rien n'est brûlé ici. Le réacteur est alimenté par des réactions de fission continues qui génèrent un flux continu d'énergie.
L'énergie cinétique produite lors de la réaction de fission est convertie en énergie thermique. Les produits de fission subissent une décélération extrême, où l'énergie cinétique est convertie en chaleur. Un modérateur de neutrons peut être utilisé pour vérifier la vitesse dans un réacteur.
La chaleur produite est transférée à un liquide de refroidissement qui est utilisé directement ou indirectement en se transformant en vapeur. Celle-ci peut être utilisée pour faire fonctionner des turbines, convertissant ainsi l'énergie thermique en énergie mécanique.
Explosions nucléaires
Une explosion nucléaire est une explosion qui se produit à la suite de la libération rapide d'énergie par une réaction nucléaire à grande vitesse. La réaction motrice peut être la fission nucléaire, la fusion nucléaire ou une combinaison en cascade des deux.
Bien qu'à ce jour toutes les armes basées sur la fusion aient utilisé un dispositif de fission pour initier la fusion, et qu'une arme de fusion pure reste un dispositif hypothétique. Les explosions nucléaires sont utilisées dans les armes et les essais nucléaires.
Réaction nucléaire - Points clés
- À l'intérieur du noyau atomique, on trouve des protons et des neutrons, tandis que les électrons gravitent autour du noyau dans le nuage électronique.
- La chimie nucléaire est l'étude des propriétés physiques et chimiques des éléments qui sont influencées par des changements dans la structure du noyau atomique.
- Les isotopes d'un élément contiennent un nombre différent de neutrons.
- Une réaction nucléaire se produit lorsque deux noyaux, ou un noyau et une particule subatomique (proton, neutron ou électron) entrent en collision pour former des produits.
- Les transformations chimiques se produisent lorsque des électrons sont échangés entre au moins deux atomes en interaction.
- La fusion nucléaire est la combinaison ou la fusion d'au moins deux noyaux atomiques en un seul noyau.
- La fission nucléaire est la division d'un noyau atomique en deux noyaux ou en noyaux plus légers.
- Les réacteurs nucléaires sont le cœur d'une centrale nucléaire. Ils utilisent des réactions nucléaires pour produire de l'électricité.
- Une explosion nucléaire se produit à la suite de la libération rapide d'énergie par une réaction nucléaire à grande vitesse.
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