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 posent 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 (ou numéro atomique), 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 émises lors des réactions nucléaires.
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, instable, 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 quelques cm à 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 provoquent une importante augmentation de la température. Cette énorme chaleur est 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 et 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
La figure suivante montre le mécanisme de l’utilisation du carbone 14/12 dans la datation absolue.
Q – À l’aide de la figure, 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 5 730 ans, on compare la radioactivité résiduelle (a) dans le reste (fossile) 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.
3 – Utilisation de la radioactivité dans l’industrie
La figure suivante montre l’utilisation de la radioactivité dans le domaine agroalimentaire.
Q – À l’aide de la figure, expliquez l’intérêt de l’utilisation de la radioactivité dans l’industrie agroalimentaire.
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 radioactif, 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.
- Tuer 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
Les figures suivantes montrent quelques dangers de la radioactivité sur l’Homme et l’environnement.
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.
Remarque : le tableau suivant montre les unités de la mesure de la radioactivité.
Becquerel (bq) | Il correspond au nombre de désintégrations par seconde. |
Gray (Gy) | Il correspond à la quantité de radiations absorbée par une unité de masse. |
Sievert (Sv) | Il exprime les impacts biologiques des rayonnements sur l’organisme. |
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.
Remarque : Les déchets radioactifs sont classés en fonction de deux critères :
- Leur niveau de radioactivité.
- Leur durée de vie.
On peut ainsi différencier les catégories suivantes :
| Déchets de faible activité | Déchets de moyenne activité | Déchets de haute activité |
Déchets de courte durée de vie | Catégorie A | Catégorie A | Catégorie C |
Déchets de longue durée de vie | Catégorie B | Catégorie B | Catégorie C |