Qu’est-ce que la désintégration radioactive – Définition

La désintégration nucléaire (désintégration radioactive) se produit lorsqu’un atome instable perd de l’énergie en émettant un rayonnement ionisant. La désintégration radioactive est un processus aléatoire au niveau des atomes uniques. Dosimétrie des rayonnements

Qu’est-ce que la désintégration radioactive

Notation des réactions nucléaires - désintégrations radioactives
Notation des réactions nucléaires – désintégrations radioactives
Source: chemwiki.ucdavis.edu

La désintégration nucléaire (désintégration radioactive) se produit lorsqu’un atome instable perd de l’énergie en émettant un rayonnement ionisant . La désintégration radioactive est un processus aléatoire au niveau d’atomes uniques, en ce sens que, selon la théorie quantique, il est impossible de prédire quand un atome particulier va se désintégrer. En d’autres termes, un noyau d’un radionucléide n’a pas de «mémoire». Un noyau ne «vieillit» pas avec le temps. Ainsi, la probabilité de sa décomposition n’augmente pas avec le temps, mais reste constante quelle que soit la durée d’existence du noyau. Pendant sa désintégration imprévisible, ce noyau instable se décompose spontanément et aléatoirementpour former un noyau différent (ou un état d’énergie différent – désintégration gamma), dégageant un rayonnement sous forme de particules atomiques ou de rayons de haute énergie. Cette décroissance se produit à un taux constant et prévisible qui est appelé demi-vie. Un noyau stable ne subira pas ce type de désintégration et n’est donc pas radioactif.

Il existe trois modes de base de désintégration radioactive:

  • Pourriture alpha . La désintégration alpha  représente la désintégration d’un  noyau parent  à une fille par l’émission du noyau d’un atome d’hélium. Les particules alpha se composent de deux protons et de deux neutrons liés ensemble en une particule identique à un noyau d’hélium. En raison de sa très grande masse (plus de 7 000 fois la masse de la particule bêta) et de sa charge, il ionise le matériau lourd et a une très courte portée .
  • Pourriture bêta . La désintégration bêta  ou  la désintégration β  représente la désintégration d’un noyau parent à une fille par l’émission de la particule bêta. Les particules bêta sont des électrons ou des positons à haute énergie et à grande vitesse émis par certains types de noyaux radioactifs tels que le potassium-40. Les particules bêta ont une plus grande plage de pénétration que les particules alpha, mais encore beaucoup moins que les rayons gamma. Les particules bêta émises sont une forme de rayonnement ionisant également connu sous le nom de rayons bêta. La production de particules bêta est appelée désintégration bêta.
  • Pourriture gamma . La désintégration gamma  ou la  désintégration γ  représente la désintégration d’un noyau parent à une fille par l’émission de  rayons gamma  (photons à haute énergie). Les rayons gamma sont des rayonnements électromagnétiques (photons de haute énergie) de très haute fréquence et de haute énergie. Ils sont produits par la désintégration des noyaux lors de leur transition d’un état de haute énergie à un état inférieur appelé décroissance gamma. La plupart des réactions nucléaires s’accompagnent d’émissions gamma.

Autres modes de décroissance importants:

  • Capture d’électrons . La capture d’électrons  est un processus dans lequel un noyau parent capture l’un de ses électrons orbitaux et émet un neutrino. La capture d’électrons , également connue sous le nom de  désintégration bêta inverse,  est parfois incluse comme type de  désintégration bêta , car le processus nucléaire de base, médié par l’interaction faible, est le même.
  • Conversion interne . La conversion interne  est un processus électromagnétique, par lequel un état nucléaire excité se désintègre par l’  émission directe  de l’un de ses  électrons atomiques . La conversion interne entre en  compétition avec  l’émission gamma , mais dans ce cas, les champs électromagnétiques multipolaires du  noyau  n’entraînent pas l’émission d’un rayon gamma, mais les champs interagissent directement avec les électrons atomiques. Contrairement à  la désintégration bêta , qui est régie par une  force faible , l’  électron  est émis par l’atome radioactif, mais pas par le noyau.
  • Désintégration des neutrons . La désintégration des neutrons est un type de désintégration radioactive de noyaux contenant des neutrons en excès(en particulier des produits de fission), dans lequel un neutron est simplement éjecté du noyau. Ce type de rayonnement joue un rôle clé dans le contrôle des réacteurs nucléaires , car ces neutrons sont des neutrons retardés .
  • Désintégration du proton . La désintégration du proton  est un type rare de désintégration radioactive de noyaux contenant des protons en excès , dans lequel un proton est simplement éjecté du  noyau .
  • Fission spontanée . La fission spontanée (SF) est une forme de désintégration radioactive qui ne se trouve que dans les éléments chimiques très lourds.

Nature de la décomposition

Le baryum-137m est un produit d'un produit de fission commun - le césium - 137. Le rayon gamma principal du baryum-137m est le photon 661keV.
Le baryum-137m est un produit d’un produit de fission commun – le césium – 137. Le rayon gamma principal du baryum-137m est le photon 661keV.

Comme il a été écrit, les noyaux atomiques sont constitués de protons et de neutrons, qui s’attirent mutuellement par la force nucléaire , tandis que les protons se repoussent via la force électromagnétique en raison de leur charge positive. Ces deux forces se font concurrence, conduisant à diverses stabilités des noyaux. Il n’y a que certaines combinaisons de neutrons et de protons, qui forment des noyaux stables . Les neutrons stabilisent le noyau , car ils s’attirent les uns les autres et les protons, ce qui aide à compenser la répulsion électrique entre les protons. En conséquence, à mesure que le nombre de protons augmente, un rapport croissant de neutrons aux protons est nécessaire pour former un noyau stable. S’il y en a trop (les neutrons obéissent également au principe d’exclusion de Pauli ) ou trop peu de neutrons pour un nombre donné de protons, le noyau résultant n’est pas stable et subit une décroissance radioactive . La plupart des atomes trouvés dans la nature sont stables et n’émettent pas de particules ou d’énergie qui changent de forme au fil du temps. Sur les 82 premiers éléments du tableau périodique, 80 ont des isotopes considérés comme stables. Le technétium, le prométhium et tous les éléments ayant un numéro atomique supérieur à 82 sont instables et se décomposent par désintégration radioactive. Les isotopes instables se désintègrent spontanément par diverses voies de désintégration radioactive , le plus souvent la désintégration alpha, la désintégration bêta, la désintégration gamma ou la capture d’électrons. De nombreux autres types rares de désintégration, comme la fission spontanée ou l’émission de neutrons, sont connus.

Lois de conservation dans la désintégration nucléaire

En analysant les réactions nucléaires , nous appliquons les nombreuses lois de conservation . Les réactions nucléaires sont soumises aux lois classiques de conservation pour la charge, la quantité de mouvement, la quantité de mouvement angulaire et l’énergie (y compris les énergies de repos). Les lois de conservation supplémentaires, non prévues par la physique classique, sont:

Certaines de ces lois sont respectées en toutes circonstances, d’autres non. Nous avons accepté la conservation de l’énergie et de l’élan. Dans tous les exemples donnés, nous supposons que le nombre de protons et le nombre de neutrons sont conservés séparément. Nous trouverons des circonstances et des conditions dans lesquelles cette règle n’est pas vraie. Lorsque nous envisageons des réactions nucléaires non relativistes, c’est essentiellement vrai. Cependant, lorsque nous envisageons les énergies nucléaires relativistes ou celles impliquant les interactions faibles, nous constaterons que ces principes doivent être étendus.

Certains principes de conservation sont nés de considérations théoriques, d’autres ne sont que des relations empiriques. Néanmoins, toute réaction non expressément interdite par les lois sur la conservation se produira généralement, peut-être à un rythme lent. Cette attente est basée sur la mécanique quantique. À moins que la barrière entre les états initial et final ne soit infiniment élevée, il y a toujours une probabilité non nulle qu’un système fasse la transition entre eux.

Aux fins de l’analyse des réactions non relativistes, il suffit de noter quatre des lois fondamentales régissant ces réactions.

  1. Conservation des nucléons . Le nombre total de nucléons avant et après une réaction est le même.
  2. Conservation de la charge . La somme des charges sur toutes les particules avant et après une réaction est la même
  3. Conservation de l’élan . L’élan total des particules en interaction avant et après une réaction est le même.
  4. Conservation de l’énergie . L’énergie, y compris l’énergie de masse au repos, est conservée dans les réactions nucléaires.

Référence: Lamarsh, John R. Introduction au génie nucléaire 2e édition

Activité – Activité spécifique

Radioactivité - BecquerelUne mesure de la radioactivité (activité) est basée sur le comptage des désintégrations par seconde . L’unité d’ activité SI est le becquerel (Bq), égal à une seconde réciproque. L’activité ne dépend que du nombre de désintégrations par seconde, pas du type de désintégration, de l’énergie des produits de désintégration ou des effets biologiques du rayonnement. Il peut être utilisé pour caractériser le taux d’émission de rayonnement ionisant. Activité spécifiqueest l’activité par quantité d’un radionucléide, ainsi l’activité spécifique est définie comme l’activité par quantité d’atomes d’un radionucléide particulier. Il est généralement donné en unités de Bq / g, mais une autre unité d’activité couramment utilisée est le curie (Ci) permettant la définition d’une activité spécifique en Ci / g.

Les unités d’activité (le curie et le becquerel) peuvent également être utilisées pour caractériser une quantité globale de rejets contrôlés ou accidentels d’atomes radioactifs .

Unités d’activité

  • Becquerel . Le becquerel est l’ unité de radioactivité SI définie en 1974. Il est nommé en l’honneur d’Henri Becquerel, un physicien français qui a découvert la radioactivité en 1896. Un becquerel (1Bq) est égal à 1 désintégration par seconde .
  • Curie . Le curie est une unité de radioactivité non SIdéfinie en 1910. Il était initialement défini comme équivalent au nombre de désintégrations qu’un gramme de radium-226 subira en une seconde . Actuellement, un curie est défini comme 1Ci = 3,7 x 10 10 désintégrations par seconde .
  • Rutherford . Rutherford (symbole Rd ) est également une unité non SI définie comme l’activité d’une quantité de matière radioactive dans laquelle un million de noyaux se désintègrent par seconde .

Loi sur la désintégration radioactive

demi-vies de tableLes calculs de la désintégration des noyaux radioactifs sont relativement simples, du fait qu’il n’y a qu’une seule loi fondamentale régissant tous les processus de désintégration. Cette loi stipule que la probabilité par unité de temps qu’un noyau se désintègre est une constante, indépendante du temps. Cette constante est appelée constante de décroissance et est notée λ, « lambda ». La désintégration radioactive d’un certain nombre d’atomes (masse) est exponentielle dans le temps.

Loi de désintégration radioactive: N = Ne -λt

Le taux de décroissance nucléaire est également mesuré en termes de demi-vies . La demi-vie est le temps qu’il faut à un isotope donné pour perdre la moitié de sa radioactivité. Si un radio-isotope a une demi-vie de 14 jours, la moitié de ses atomes se seront désintégrés en 14 jours. Dans 14 jours de plus, la moitié de la moitié restante se décomposera, etc. Les demi-vies varient de millionièmes de seconde pour les produits de fission hautement radioactifs à des milliards d’années pour les matériaux à vie longue (comme l’ uranium naturel ). Remarquerez queles courtes demi-vies s’accompagnent de grandes constantes de désintégration. Les matières radioactives à demi-vie courte sont beaucoup plus radioactives (au moment de la production) mais perdront évidemment rapidement leur radioactivité. Quelle que soit la durée ou la durée de la demi-vie, après sept demi-vies, il reste moins de 1% de l’activité initiale.

La loi de désintégration radioactive peut également être dérivée pour les calculs d’activité ou les calculs de masse de matières radioactives:

(Nombre de noyaux) N = Ne -λt     (Activité) A = Ae -λt      (Masse) m = me -λt

, où N (nombre de particules) est le nombre total de particules dans l’échantillon, A (activité totale) est le nombre de désintégrations par unité de temps d’un échantillon radioactif, m est la masse de matière radioactive restante.

Demi-vie et constante de décroissance

Dans les calculs de radioactivité, l’un des deux paramètres ( constante de décroissance  ou  demi-vie ), qui caractérisent le taux de décroissance, doit être connu. Il existe une relation entre la demi-vie (t 1/2 ) et la constante de décroissance λ. La relation peut être dérivée de la loi de désintégration en fixant N = ½ N o . Cela donne:

où  ln 2  (le logarithme naturel de 2) est égal à 0,693. Si la constante de désintégration (λ) est donnée, il est facile de calculer la demi-vie, et vice-versa.

 

Chaîne de désintégration

En physique, une  chaîne de désintégration radioactive  est une séquence de  noyaux atomiques instables  et leurs  modes de désintégration , ce qui conduit à un noyau stable. Les sources de ces noyaux instables sont différentes, mais la plupart des ingénieurs traitent  des chaînes de désintégration radioactives naturelles  appelées  séries radioactives . Notez que, dans  les réacteurs nucléaires , il existe de nombreux types de chaînes de désintégration de fragments de  fission . Les fragments de fission sont  très instables  (radioactifs) et subissent d’autres  désintégrations radioactives  pour se  stabiliser .

Voir aussi: Chaîne de désintégration radioactive

Chaleur de décroissance dans le réacteur

Chaleur de décroissance

Lorsqu’un réacteur est arrêté, la fission cesse essentiellement, mais l’  énergie de désintégration  est toujours produite. L’énergie produite après l’arrêt est appelée  chaleur de désintégration . La quantité de chaleur dégénérée après l’arrêt est directement influencée par l’  historique de puissance  (accumulation de produits de fission) du réacteur avant l’arrêt et par le niveau de  combustion du combustible (accumulation d’actinidies – en particulier en cas de traitement du combustible usé). Un réacteur fonctionnant à pleine puissance pendant 10 jours avant l’arrêt a une génération de chaleur de désintégration beaucoup plus élevée qu’un réacteur fonctionnant à faible puissance pendant la même période. D’un autre côté, lorsque le réacteur change sa puissance de 50% à 100% de sa pleine puissance, le rapport de la chaleur de désintégration à la puissance neutronique chute à peu près à la moitié de son niveau précédent, puis s’accumule lentement à mesure que l’inventaire des produits de fission s’adapte à la nouveau pouvoir.

La chaleur de désintégration produite après l’arrêt du réacteur à pleine puissance équivaut initialement à environ  6 à 7%  de la puissance thermique nominale. Puisque la  désintégration radioactive  est  un processus aléatoire  au niveau des atomes uniques, elle est régie par la  loi de désintégration radioactive . Notez que le combustible nucléaire irradié contient un grand nombre d’isotopes différents qui contribuent à la  chaleur de désintégration , qui sont tous soumis à la loi de désintégration radioactive. Par conséquent, un modèle décrivant la  chaleur de désintégration  doit considérer la chaleur de désintégration comme une  somme de fonctions exponentielles avec différentes constantes de désintégration et contribution initiale au taux de chaleur. Les fragments de fission à courte demi-vie sont beaucoup plus radioactifs (au moment de la production) et contribuent de manière significative à la désintégration de la chaleur, mais perdront évidemment rapidement sa part. En revanche, les fragments de fission et les éléments transuraniens à longue demi-vie sont moins radioactifs (au moment de la production) et produisent moins de chaleur de désintégration, mais perdront évidemment leur part plus lentement. Ce taux de génération de chaleur de décroissance diminue à  environ 1%  environ  une heure  après l’arrêt.

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