Transformations de l'uranium dans un réacteur nucléaire ( concours manipulateur radio Poitiers 2009)

l'élément uranium naturel comporte principalement deux isotopes 23892U ( 99,3 %) et 23592U ( 0,73 %). Seul l'isotope 23592U est fissile. Donner la composition des deux noyaux cités. 23892U : 92 protons ; 238-92 = 146 neutrons 23592U : 92 protons ; 235-92 = 143 neutrons. Qu'appelle t-on noyaux fissile ? noyaux isotopes ?  Fission nucléaire spontanée : le noyau se désintègre en plusieurs fragments sans absorption préalable d'un corpuscule ( neutron par exemple). Fission nucléaire induite : un noyau lourd capture un neutron puis se désintègre en plusieurs fragments. Isotopes : deux noyaux isotopes ont le même numéro atomique mais des nombres de neutrons différents. Dans un réacteur de centrale nucléaire, le noyau d'uranium 235, sous l'impact d'un neutron lent peut se scinder en deux noyaux plus légers en émettant d'autres neutrons. Un grand nombre de réactions sont possibles. On considère que sous l'impact d'un neutron, le noyau 23592U donne un noyau de strontium 9438Sr et un noyau de xénon 13954Xe. Ecrire l'équation résultant du choc d'un neutron sur le noyau d'uranium 235. 23592U + 10n ---> 9438Sr + 13954Xe + x 10n Conservation du nombre de nucléons : 235+1 = 94 + 139 + x ; x = 3 23592U + 10n ---> 9438Sr + 13954Xe + 3 10n Expliquer pourquoi la réaction de fission peut s'auto-entretenir. Cette réaction consomme un neutron et en produit 3 ; deux nouveaux neutrons peuvent donc provoquer deux nouvelles fissions qui vont libérer 4 neutrons ; ces 4 nouveaux neutrons vont produire 4 nouvelles fissions .... Les neutrons produits sont rapides car la réaction libère beaaucoup d'énergie. Ces neutrons sont facilement captés par l'isotope 23892U donnant naissance à un nouvel isotope radioactif. Ecrire l'équation de la réaction résultant de la capture d'un neutron par un noyau de l'uranium 238. 23892U + 10n ---> 23992U L'isotope radioactif se transforme ensuite en neptunium AZNp puis en noyau fissile de plutonium A'Z'Pu par suite de deux désintégrations ß- successives. Quelles particules sont émises lors d'une désintégration ß- ? un électron et un antineutrino. Ecrire les réactions successives de ces deux désintégrations. 23992U ---> AZNp +0-1e + 00n. Conservation de la charge : 92 = Z-1 ; Z = 93 ; conservation du nombre de nucléons : 239 = A 23993Np ---> A'Z'Pu +0-1e + 00n. Conservation de la charge : 93 = Z'-1 ; Z' = 94 ; conservation du nombre de nucléons : 239 = A' Pour que la fission de l'uranium 235 devienne prépondérante, il faut ralentir les neutrons. Ces neutrons peuvent être ralentis par les chocs qu'ils subissent sur les noyaux d'un milieu modérateur ( graphite ou eau). Calculer l'énergie libérée lors de la fission d'un noyau d'uranium 235 en J et en MeV. noyau 23592U 9438Sr 13954Xe 10n masse (u) 235,013 4 93,894 6 138,888 2 1,0087 1 MeV = 1,602 10-13 J ; c = 2,998 108 m/s ; 1 u = 1,660 10-27 kg ; 1 tep = 42 GJ ; NA = 6,02 1023 mol-1. Variation de masse Dm =2 m(10n) + m(113954Xe) + m( 9438Sr) - m(23592U) Dm = 2*1,0087 +138,888 2 +93,894 6-235,013 4= -0,2132 u -0,2132*1,660 10-27 = -3,539 12 10-28 kg. Cette diminution de masse s'acompagne de la libération d'énergie dans le milieu extérieur ( ce que traduit le signe négatif) : Dm c2 = -3,539 12 10-28 *(2,998 108)2 = -3,18096 10-11 J ~ -3,181,0 10-11 J. -3,1810 10-11 / 1,602 10-13 = 1,985 6 102 MeV. Calculer en tep ( tonne équivalent pétrole), l'énergie libérée par la fission d'une mole d'uranium 235. Une mole d'uranium 235 contient NA = 6,02 1023 noyaux d'uranium 235. Energie libérée par la fission d'une mole d'uranium 235 : 3,18096 10-11 *6,02 1023 =1,9149 1013 J = 1,9149 104 GJ 1 tep = 42 GJ 1,9149 104 /42 = 456 ~ 4,6 102 tep.

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