La transmutation pour éliminer les déchets nucléaires : bac S Amérique du sud 2010

La transmutation est la transformation d'un noyau en un autre par une réaction nucléair induite par des particules avec lesquelles on le bombarde. A ppliquée au traitement des déchets nucléaires, elle consiste à uliliser ce type de réaction pour transformer les isotopes radioactifs à vie longue en isotopes à vie nettement plus counrte voire slables, ou encore en combustible nucléaire en vue de réduire le nombre de radiotoxiques à long terme. De part l'absence de charge électrique, le neutron est de loin la particule la plus utilisée. Il est disponible en grande quantité dans les réacteurs nucléaires où il est utilisé pour générer des réactions de fission et produire ainsi de l'énergie et où d'ailleurs il induit en permanence des transmutations, la plupart non recherchées. La meilleure voie de recyclage des déchets ne serait-elle pas de les réinjecter dans l'installation qui les a créés ? Lorsqu'un neutron entre en collision avec un noyau, il peut rebondir sur le noyau ou pénétrer dans celui-ci.  Dans le second cas, le noyau, en alsorbant le neutron acquiet un excès d'énergie qu'il va libérer de différentes manières. - en éjectant des particules ( un neutron par exemple ) et en émettant éventuellement un rayonnement. -en émettant seulement un rayonnement ; on parle dans ce cas de capture puisque le neutron reste captif du noyau. - en se scindant en deu noyaux de taille plus petite et en émettant deux à trois neutrons ; on parle alors de réaction de fission durant laquelle une importante quantité d'énergie est libérée. La transmutation d'un radionucléide peut se réaliser soit par capture d'un neutron, soit par fission. D'après document CEA. On donne :  93Np neptunium ; 94Pu plutonium ; 95Am américium ; 96Cm curium ; 97Bk berkélium. 10n neutron ; 11p proton ; 0-1e électron ; 01e posion ;  42He noyau d'hélium. Questions sur le texte : Que signifie "noyaux isotopes" ? Deux isotopes ne diffèrent que par leur nombre de neutrons. Ils possèdent le même numéro aomique Z. Définir noyaux radioactif. Un noyau radioactif est un noyau instable dont la désintégration (destruction) aléatoire s'accompagne de : L'apparition d'un nouveau noyau L'émission d'une particule notée a, b - ou b + L'émission d'un rayonnement électromagnétique noté g. Le texte parle de"vie longue" ou de "vie nettement plus courte". Remplacer le mot "vie" par une expression plus appropriée. Demi-vie ( ou période ) radioactive. On parle de réaction de fission. Donner la définition de "réaction de fission". La  fission est une réaction nucléaire provoquée au cours de laquelle un noyau lourd "fissible" donne naissance à deux noyaux plus légers. La réaction se fait avec perte de masse et dégagement d'énergie.     Etude d'un exemple, laméricium 241.  On étudie un mécanisme simplifié de la disparition de l'américium 241. Dans un réacteur à neutrons lents, l'américium 241 24195Am peut capter un neutron. Il se transforme en un nouveau noyau noté X1. Donner la composition un noyau d'américium 241. 95 protons et 241-95 = 146 neutrons. Enoncer les lois de conservation qui permettent d'écrire l'équation d'une réaction nucléaire. Conservation de la charge et conservation du nombre de nucléons. Ecrire l'équation de la réaction de capture d'un neutron par un noyau d'américium 241. Identifier X1. 24195Am + 10n --> 24295Am. . Le noyau X1 est radioactif ß-. Il apparaît un noyau X2 et une particule. Quelle est la particule émise lors d'une désintégration ß- ? Un électron 0-1e est émis. Ecrire l'équation de la réaction nucléaire correspondante et identifier X2.  24295Am ---> 0-1e + AZX2. Conservation de la charge : 95 = -1 +Z d'où Z = 96, on identifie le 96Cm curium. Conservation du nombre de nucléons : 242 = 0 +A d'où A = 242. 24295Am ---> 0-1e + 24296Cm. La quasi-totalité des noyaux X2 obtenus subit une désintégration alpha. Un noyau X3 est produit ainsi qu'une particule. Quelle est la particule émise lors d'une désintégration alpha ? Un noyau d'hélium 42He. Ecrire l'équation de la réaction nucléaire correspondante et identifier X3.  24296Cm. ---> 42He + AZX3. Conservation de la charge : 96 = 2 +Z d'où Z = 94, on identifie le 94Pu plutonium. Conservation du nombre de nucléons : 242 = 4 +A d'où A = 238. 24296Cm ---> 42He + 23894Pu. Intérêt du traitement  des déchets nucléaires. La demi-vie radioactive de l'américium 241 vaut t½ = 432 ans ; celle du noyau X1 vaut 16 heures et celle du noyau X2 vaut 163 jours. La loi de décroissance radioactive s'écrit  : Donner la signification de N et N0.  N0 : nombre de noyaux radioactifs à la date t = 0, choisie comme origine. N : nombre de noyaux radioactifs présents à la date t. On considère un échantillon d'américium et un échantillon d'élément X2 contenant tous deux à un instant choisi comme origine des temps, 1,0 1010 noyaux. Calculer le nombre de noyaux de chaque élément présents 10 ans plus tard dans ces deux échantillons. 163 jours = 163/365 an = 0,4466 an. 0,98*1,0 1010 =9,8 109 noyaux. 1,8 10-7 *1,0 1010 =1,8 103 noyaux. Conclure sur l'intérêt de cette méthode d'élimination des déchets nucléaires. Au bout de 10 ans : il reste 98 % d'américium 241 ; il ne reste pratiquement plus de noyaux radioactifs X2. Justifier la phrase suivante en quelques mots :  " dans un échantillon issu d'américium 241, le nombre de noyaux X1, est toujours négligeable ". La demi-vie des noyaux X1 est très courte, 16 heures. Au bout de 10 demi-vies, soit 160 heures ou 6,7 jours pratiquement tous les noyaux X1 ont disparu.

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