Radioactivité des sciences nucléaires: énergie, radio-isotopes, utilisations et mesures de sécurité
Lisez cet article pour en savoir plus sur l’énergie, les radio-isotopes, les utilisations, les mesures de sécurité et la radioactivité de la science nucléaire!
Par «nucléaire», on entend quelque chose concernant la structure ou le comportement d'atomes et le noyau d'atomes.
Courtoisie d'image: upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b5/ALSEP_Apollo_14_RTG.jpg
La science et la technologie nucléaires constituent un domaine d’étude avancé, qui fait partie du scénario «haute technologie», selon lequel l’énergie libérée par les noyaux d’atomes, lorsqu’ils subissent certains changements, est utile non seulement comme source d’électricité, mais aussi comme source d’électricité. applications dans l'agriculture, l'industrie et la médecine.
Radioactivité:
L'hydrogène ordinaire a un proton et pas de neutrons, il a donc la masse numéro 1. L'hydrogène lourd, ou deutérium, a la masse 2, car il a un proton et un neutron.
Une forme d'hydrogène radioactive, le tritium, porte le numéro de masse 3. Elle comprend un proton et deux neutrons. L'hydrogène ordinaire, le deutérium et le tritium sont des isotopes de l'hydrogène. Tous les isotopes d'un élément ont les mêmes propriétés chimiques. Le noyau d'uranium a 92 protons.
L'isotope le plus abondant d'uranium contient 146 neutrons. Son nombre de masse est donc 238 (la somme de 92 et 146). Les scientifiques appellent cet isotope l'uranium 238 ou U-238. L'isotope de l'uranium que 143% des réacteurs nucléaires utilisent comme combustible sous forme de 143 neutrons. Son nombre en masse est donc 235. Cet isotope est appelé uranium 235 ou u-235.
Une réaction nucléaire implique des changements dans la structure d'un noyau. À la suite de tels changements, le noyau gagne ou perd un ou plusieurs neutrons ou protons. Il se transforme ainsi en noyau d'un isotope ou d'un élément différent. Si le noyau se transforme en noyau d'un élément différent, le changement s'appelle transmutation.
La radioactivité est le processus par lequel les atomes émettent un rayonnement, ou des particules atomiques et des rayons de haute énergie, à partir de leurs noyaux (noyaux). Sur plus de 2 300 types d'atomes connus, plus de 2 000 sont radioactifs. Environ 50 types de substances radioactives existent dans la nature. Les scientifiques font le reste artificiellement.
Antoine Henri Becquerel de France découvrit la radioactivité naturelle en 1896. Il découvrit que les composés d'uranium émettaient des radiations qui affectaient une plaque photographique même lorsqu'elles étaient enveloppées dans du papier noir; ils ont également ionisé un gaz. Peu de temps après, Marie Curie découvrit une substance encore plus fortement radioactive, le radium.
Chaque élément dont le numéro atomique est supérieur à celui du plomb (82) est radioactif. Les noyaux de certains de ces éléments peuvent se désintégrer en se scindant en deux: il s'agit de la fission spontanée.
La radioactivité naturelle se produit également dans neuf des éléments les plus légers. Les plus importants sont 14 6 C (carbone) et 40 19 K (Potassium). L'isotope s'est probablement formé lors de la création de la Terre.
Son existence actuelle est due à sa longue demi-vie de 1, 25 x 10 9 ans; bien qu'il ne constitue que 0, 01% de potassium naturel, sa présence rend les tissus vivants sensiblement radioactifs. Il peut se désintégrer soit par émission b, soit par capture d'électrons. Il est produit en continu par l'action des neutrons dans les rayons cosmiques sur l'azote atmosphérique, par une réaction nucléaire.
Sur les éléments de la septième rangée, seuls cinq sont de nature ronde; radium, actinium, thorium, protactinium et uranium.
Emission de rayonnement:
Différentes formes de rayonnement prennent naissance dans les noyaux d'atomes radioactifs. Il existe trois types de rayonnement radioactif: les particules alpha, qui ont été identifiées pour la première fois par Becquerel; rayons bêta; identifié par Ernest Rutherford de Nouvelle-Zélande; et les rayons gamma, identifiés par Marie et Pierre Curie de la France. L'émission de rayons alpha ou bêta provoque la transmutation, mais le rayonnement gamma n'entraîne pas de transformation.
Les particules alpha ont une charge électrique positive. Ils consistent en deux protons et deux neutrons et sont identiques aux noyaux d'atomes d'hélium. Les particules alpha sont émises avec de hautes énergies, mais perdent rapidement de l’énergie en traversant la matière. Ceux-ci sont arrêtés par une épaisse feuille de papier; dans l’air, ils ont une portée de quelques centimètres et sont finalement arrêtés par des collisions avec des molécules d’air.
Ils provoquent une ionisation intense dans un gaz (en attirant les électrons hors de leurs molécules) et sont déviés par des champs magnétiques et électriques très puissants. Toutes les particules alpha émises par une substance radioactive particulière ont la même vitesse, environ un vingtième de la vitesse de la lumière. L'américium n'émet que des particules alpha.
Le rayonnement alpha se produit dans 238 U, un isotope de l’uranium. Après avoir perdu une particule alpha, le noyau compte 90 protons et 144 neutrons. L'atome portant le numéro atomique 90 n'est plus l'uranium, mais le thorium. L'isotope formé est 234 90 Th.
Les rayons bêta sont des électrons. Certains noyaux radioactifs émettent des électrons ordinaires, qui ont des charges électriques négatives. Mais d'autres émettent des positrons, ou des électrons chargés positivement. Par exemple, un isotope de carbone, 14 6 C, émet des électrons négatifs. Le carbone 14 a huit neutrons et six protons.
Lorsque son noyau se transforme, un neutron se transforme en un proton, un électron et un antineutrino. Après émission de l'électron et de l'antineutrino, le noyau contient sept protons et sept neutrons. Son nombre de masse reste le même, mais son numéro atomique 7 est l'azote. Ainsi, 14 6 C passe à 14 7 N après l’émission d’une particule bêta négative.
Un isotope du carbone, le 11 6 C, émet des positrons. Le carbone 11 a six protons et cinq neutrons. Quand il émet un positron, un proton se transforme en neutron, positron et neutrino. Après l’émission du positron et du neutrino, le noyau contient cinq protons et six neutrons. Le nombre de masse reste le même, mais le numéro atomique diminue de un.
L'élément de nombre atomique 5 est bore. Ainsi, 11 6 C se transforme en 11 5 B après l’émission d’un positron et d’un neutrino. Le strontium n'émet que des particules bêta. Les particules bêta se déplacent presque à la vitesse de la lumière. Certains peuvent pénétrer 13 millimètres de bois.
Le rayonnement gamma peut se produire de plusieurs manières. Dans un processus, la particule alpha ou bêta émise par un noyau n’enlève pas toute l’énergie disponible. Après l’émission, le noyau a plus d’énergie que dans son état le plus stable. Il se débarrasse de l'excès en émettant des rayons gamma. Les rayons gamma n'ont aucune charge électrique. Ils ressemblent aux rayons X, mais ils ont généralement une longueur d'onde plus courte.
Alors que les rayons X sont dus à des changements d'énergie à l'extérieur des noyaux atomiques, de même que toutes les formes de rayonnement électromagnétique, les rayons gamma, comme les particules alpha et bêta, proviennent de l'intérieur des noyaux atomiques. Ces rayons sont des photons (particules de rayonnement électromagnétique) et se déplacent à la vitesse de la lumière. Ils sont beaucoup plus pénétrants que les particules alpha et bêta.
Le radium émet des rayons alpha, bêta et gamma. Le cobalt est une source gamma pure.
Désintégration radioactive et demi-vie:
La désintégration radioactive est le processus par lequel un noyau se transforme spontanément en noyau d'un autre isotope ou élément. Le processus libère de l'énergie principalement sous forme de rayonnement nucléaire. Le processus de désintégration se produit de son propre chef et ne peut être contrôlé; il n'est pas affecté par les changements de température et se produit que le matériau soit pur ou combiné chimiquement avec d'autres éléments.
L'uranium, le thorium et plusieurs autres éléments naturels se décomposent spontanément et ajoutent ainsi au rayonnement naturel ou de fond toujours présent sur la Terre. Les réacteurs nucléaires produisent artificiellement une désintégration radioactive. Les radiations nucléaires représentent environ 10% de l'énergie produite dans un réacteur nucléaire.
Les scientifiques mesurent la désintégration radioactive en unités de temps appelées demi-vies. Une demi-vie est égale au temps nécessaire pour que la moitié des atomes d'un élément radioactif ou d'un isotope donné se désintègre en un autre élément ou isotope.
Le nombre de particules émises dans un laps de temps donné par un échantillon d'un radio-isotope (isotope radioactif) est égal à un pourcentage défini du nombre d'atomes dans l'échantillon. Par exemple, dans tout échantillon de 11 C, 3, 5% des atomes se décomposent chaque minute. Au bout d’une minute, il ne restera que 96, 5% de l’échantillon.
Au bout d’une seconde, il ne restera que 96, 5% des 96, 5% précédents, soit 93, 1% du montant initial. Au bout de 20 minutes, il ne restera que la moitié de la quantité initiale. Cela montre que la demi-vie de 11 ° C est de 20 minutes. Cette disparition d’une substance s’appelle désintégration radioactive ou transformation nucléaire.
Différents radio-isotopes ont différentes demi-vies. Ils peuvent aller de quelques fractions de seconde à des milliards d'années. À quelques exceptions près, les seuls radio-isotopes trouvés en quantités détectables dans la nature sont ceux dont la demi-vie atteint plusieurs millions, voire des milliards d'années. Les scientifiques pensent que, lorsque les éléments constitutifs de la Terre ont été formés, tous les isotopes possibles étaient présents.
En règle générale, ceux dont la demi-vie est courte se sont décomposés en quantités infimes. Cependant, certains radio-isotopes naturels à vie courte ont été formés par la désintégration d'un radio-isotope à vie longue. Par exemple, le thorium 234, qui a une courte durée de vie, est produit à partir d'uranium, qui a une longue demi-vie.
Des centaines de radio-isotopes à vie courte sont produits artificiellement par bombardement de noyaux avec des neutrons et d'autres particules nucléaires rapides dans des réacteurs nucléaires. Lorsqu'un neutron ou une autre particule frappe le noyau d'un atome, le noyau est susceptible de le capturer. Dans certains cas, un noyau capture une particule et dégage immédiatement certaines de ses propres particules.
Énergie nucléaire:
L'énergie nucléaire est une énergie dérivée de réactions nucléaires, soit par la fission de noyaux lourds en noyaux légers, soit par la fusion de noyaux légers en noyaux plus lourds. En principe, l'énergie de liaison d'un système de particules formant un noyau atomique est l'énergie nucléaire.
Il résulte de changements dans le noyau des atomes. Les scientifiques et les ingénieurs ont trouvé de nombreuses utilisations de cette énergie, notamment dans la production d'électricité. Mais ils n’ont pas encore la capacité de tirer pleinement parti de l’énergie nucléaire. Si l'énergie nucléaire était pleinement développée, elle pourrait fournir toute l'électricité du monde pendant des millions d'années.
Un noyau constitue la majeure partie de la masse de chaque atome et ce noyau est maintenu par une force extrêmement puissante. Une énorme quantité d'énergie est concentrée dans le noyau à cause de cette force.
Les scientifiques ont commencé à utiliser l'énergie nucléaire à grande échelle à l'Université de Chicago en 1942, trois ans après le début de la Seconde Guerre mondiale. Cette réalisation a conduit au développement de la bombe atomique. C’est depuis 1945 que l’énergie nucléaire a été utilisée à des fins pacifiques telles que la production d’électricité.
Einstein a fait remarquer que si l'énergie d'un corps change d'une quantité E, sa masse change d'une quantité m donnée par l'équation, E = mc 2 . L'implication est que toute réaction dans laquelle il y a une diminution de masse, appelée défaut de masse, est une source d'énergie.
Les changements d'énergie et de masse dans les changements physiques et chimiques sont très faibles; ceux de certaines réactions nucléaires, telles que la désintégration radioactive, sont des millions de fois plus grands. La somme des masses des produits d'une réaction nucléaire est inférieure à la somme des masses des particules en réaction. Cette masse perdue est convertie en énergie.
Fission nucléaire:
La fission nucléaire est le processus par lequel un noyau atomique se décompose en deux ou plusieurs fragments majeurs avec l'émission de deux ou trois neutrons. Elle s'accompagne d'une libération d'énergie sous forme de rayonnement gamma et de l'énergie cinétique des particules émises.
La fission se produit spontanément dans les noyaux d'uranium 235, principal combustible utilisé dans les réacteurs nucléaires. Cependant, le processus peut également être induit en bombardant des noyaux avec des neutrons car un noyau ayant absorbé un neutron devient instable et se scinde rapidement.
Le défaut de masse est important et apparaît principalement sous forme de ke des fragments de fission. Ceux-ci volent en éclats à grande vitesse, se heurtant aux atomes environnants et élevant leur ke moyen, c'est-à-dire leur température. La chaleur est donc produite.
Si les neutrons de fission divisent d'autres noyaux d'uranium 235, une réaction en chaîne est déclenchée. En pratique, certains neutrons de fission sont perdus en s'échappant de la surface de l'uranium avant que cela ne se produise. Le rapport entre ceux qui s'échappent et ceux qui provoquent la fission diminue lorsque la masse d'uranium 235 augmente.
Cela doit dépasser une certaine masse critique pour qu'une réaction en chaîne commence. La masse critique est donc la masse minimale de matière fissile pouvant subir une réaction en chaîne continue. Au-dessus de la masse critique, la réaction peut s’accélérer en une explosion nucléaire si elle n’est pas contrôlée.
L'isotope U-238 constituerait un combustible idéal pour les réacteurs nucléaires, car il est de nature abondante. Mais les noyaux U-238 absorbent généralement les neutrons libres sans fission. Un neutron absorbé devient simplement une partie du noyau. L'isotope d'uranium rare U-235 est le seul matériau naturel que les réacteurs nucléaires peuvent utiliser pour produire une réaction en chaîne. L'uranium contenant une quantité abondante d'uranium 235 est appelé uranium enrichi.
Réacteur nucléaire:
Un réacteur nucléaire est l’élément central d’une centrale nucléaire qui produit de l’énergie nucléaire dans des conditions contrôlées pour l’utiliser comme source d’énergie électrique.
Les réacteurs de puissance se composent généralement de trois parties principales. Ce sont: 1) le réacteur ou la cuve sous pression; (2) le noyau; et (3) des barres de commande.
La cuve du réacteur contient les autres pièces du réacteur. Il est installé près de la base du bâtiment du réacteur. Le navire a des parois en acier d’au moins 15 centimètres d’épaisseur. Des tuyaux en acier mènent à l'intérieur et à l'extérieur du navire pour transporter de l'eau et de la vapeur.
Le cœur contient le combustible nucléaire, de même que la partie du réacteur où se produit la fission. Le coeur est près du fond de la cuve du réacteur. Il est principalement constitué du combustible nucléaire maintenu en place entre une plaque de support supérieure et inférieure.
Les barres de commande sont de longues tiges métalliques contenant des éléments tels que le bore ou le cadmium. Ces éléments absorbent les neutrons libres et aident ainsi à contrôler une réaction en chaîne. Les barres de commande sont insérées dans le noyau ou retirées pour ralentir ou accélérer une réaction en chaîne.
Modérateurs et liquides de refroidissement:
Le fonctionnement des réacteurs dépend également de substances appelées modérateurs et agents de refroidissement. Un modérateur est une substance, telle que l'eau ou le carbone, qui ralentit les neutrons qui le traversent. Les réacteurs nécessitent un modérateur car les neutrons libérés par la fission sont des neutrons rapides. Mais des neutrons lents sont nécessaires pour provoquer une réaction en chaîne dans le mélange d’U-238 et d’U-235, que les réacteurs utilisent comme combustible.
Un liquide de refroidissement est une substance, telle que l'eau ou le dioxyde de carbone, qui transmet bien la chaleur mais n'absorbe pas facilement les neutrons libres. Le liquide de refroidissement transporte la chaleur de la réaction en chaîne. Ce faisant, les serveurs de refroidissement empêchent la fusion du cœur du réacteur et produisent de la vapeur.
De nombreux réacteurs de puissance sont des réacteurs à eau légère, qui utilisent de l'eau légère (ordinaire) à la fois comme modérateur et comme agent de refroidissement. Les réacteurs à eau lourde utilisent de l’oxyde de deutérium, ou eau lourde, à la fois comme modérateur et comme agent de refroidissement. Le graphite est un autre modérateur. Les réacteurs indiens (sauf celui de Tarapur) utilisent de l'eau lourde.
Préparation du carburant:
L'uranium utilisé dans les réacteurs à eau légère doit être enrichi, c'est-à-dire que le pourcentage d'uranium 235 doit être augmenté. Les neutrons libres ont alors une meilleure chance de frapper un noyau U-235.
Production de vapeur:
Le réacteur atteint sa criticité lorsqu'une réaction en chaîne dans le combustible a été induite pour produire en moyenne une réaction de plus pour chaque réaction de fission.
Les réacteurs à eau légère sont de deux types principaux. Un type, le réacteur à eau sous pression, produit de la vapeur à l'extérieur de la cuve du réacteur. L'autre type, le réacteur à eau bouillante, produit de la vapeur à l'intérieur de la cuve.
La plupart des centrales nucléaires utilisent des réacteurs à eau sous pression. Ces réacteurs chauffent l'eau du modérateur dans le coeur sous une pression extrêmement élevée. La pression permet à l'eau de chauffer au-delà de son point d'ébullition normal de 100 ° C sans faire bouillir. La réaction en chaîne chauffe l'eau à environ 320 ° C. Les tuyaux transportent cette eau extrêmement chaude, mais non bouillante, vers les générateurs de vapeur situés à l'extérieur des réacteurs. La chaleur de l'eau sous pression fait bouillir de l'eau dans le générateur de vapeur et produit ainsi de la vapeur.
Dans un réacteur à eau bouillante, la réaction en chaîne fait bouillir l'eau du modérateur dans le cœur. Les tuyaux transportent la vapeur produite par le réacteur jusqu'aux turbines de l'usine.
En Inde, le type de réacteur standard est le réacteur à eau lourde sous pression.
Les barres de combustible doivent être retirées et retraitées de temps à autre pour séparer les déchets radioactifs et les petites quantités de plutonium 239 de l'uranium non utilisé. Le plutonium 239 est produit dans le réacteur lorsque l’uranium 238 absorbe des neutrons de fission rapides; comme l'uranium 235, il subit une fission et est utilisé dans les réacteurs à neutrons rapides et pour la fabrication d'armes nucléaires.
Réacteurs expérimentaux:
Le type le plus important d'obtenteur expérimental utilise l'abondant isotope d'uranium-U-238 comme combustible de base. Le réacteur transforme l'uranium 238 en isotope plutonium 239 (Pu 239) par désintégration radioactive. Comme l'U-235, le Pu-239 peut créer une réaction en chaîne et peut donc être utilisé pour la production d'énergie.
Un autre éleveur utilise l’élément naturel thorium comme carburant de base. Il transforme le thorium en isotope U-233, qui peut également produire une réaction en chaîne. L'Inde a mis au point un réacteur reproducteur expérimental à Kalpakkam, dans l'État de Chennai, utilisant du carbure mixte et du sodium comme fluide de refroidissement.
La fusion nucléaire:
La fusion nucléaire se produit lorsque deux noyaux légers fusionnent (se combinent) et forment le noyau d'un élément plus lourd. Les produits de la fusion pèsent moins que les poids combinés des noyaux d'origine. La matière perdue a donc été transformée en énergie. Les réactions de fusion produisant de grandes quantités d’énergie ne peuvent être créées que par une chaleur extrêmement intense. De telles réactions sont appelées réactions thermo-nucléaires. Les réactions thermonucléaires produisent l'énergie du soleil et de la bombe à hydrogène.
Une réaction thermo-nucléaire ne peut se produire que dans le plasma, une forme particulière de matière qui contient des électrons libres et des noyaux libres. Normalement, les noyaux se repoussent.
Mais si un plasma contenant des noyaux atomiques légers est chauffé de plusieurs millions de degrés, les noyaux commencent à se déplacer si rapidement qu'ils traversent les barrières électriques les uns des autres et fusionnent.
Problèmes de contrôle de la fusion:
Les scientifiques n'ont pas encore réussi à exploiter l'énergie de la fusion pour produire de l'énergie. Dans leurs expériences de fusion, les scientifiques travaillent généralement avec des plasmas fabriqués à partir d'un ou deux isotopes d'hydrogène. Le deutérium est considéré comme un combustible thermo-nucléaire idéal car il peut être obtenu à partir d'eau ordinaire. Un poids donné de deutérium peut fournir environ quatre fois plus d'énergie qu'un même poids d'uranium.
Pour produire une réaction thermo-nucléaire contrôlée, un plasma de deutérium ou de tritium ou des deux isotopes doit être chauffé à plusieurs millions de degrés. Les scientifiques de Bui doivent encore développer un conteneur pouvant contenir du plasma superhot.
La plupart des réacteurs de fusion expérimentaux sont conçus pour contenir du plasma superhot dans des «bouteilles magnétiques» torsadées en diverses formes en forme de bobines. Les parois des bouteilles sont en cuivre ou en un autre métal. Les murs sont entourés d'un aimant.
Un courant électrique passe à travers l'aimant et crée un champ magnétique à l'intérieur des murs. Le magnétisme éloigne le plasma des parois et le centre de chaque bobine. Cette technique s'appelle le confinement magnétique. Tous les dispositifs de fusion développés jusqu'à présent; Cependant, utilisez beaucoup plus d'énergie que ce qu'ils créent.
Le réacteur à fusion le plus réussi, appelé tokamak, a été conçu à l’origine par des scientifiques russes. Tokamak signifie fort courant en russe. Comme d’autres réacteurs de fusion expérimentaux, un tokamak utilise un champ magnétique pour éloigner le plasma de ses parois. Il passe également un fort courant à travers le plasma. Le courant agit avec le champ magnétique pour aider à confiner le plasma. L'Inde a mis au point un tokamak Aditya à des fins de recherche à l'Institut de recherche sur le plasma, à Ahmedabad.
Une autre méthode expérimentale de fusion utilise des faisceaux laser pour compresser et chauffer de minuscules pastilles de deutérium et de tritium congelés. Ce processus crée des explosions thermo-nucléaires miniatures qui libèrent de l'énergie avant que les pellets n'atteignent les parois de confinement. Mais toutes les expériences avec cette méthode n'ont pas encore produit de quantités d'énergie utilisables.
Armes nucléaires:
Les armes nucléaires peuvent être du type à fission (armes atomiques) ou à fusion (armes thermonucléaires ou à hydrogène).
Les armes à fission tirent leur pouvoir destructeur des divisions des noyaux atomiques. On sait que trois types d’atomes seulement conviennent à la fission de telles armes. Ces atomes sont des isotopes d'uranium (U) U-235 et U-238 et de l'isotope de plutonium (Pu), Pu-239. Une réaction en chaîne accélérée et non contrôlée se produit lorsque, par exemple, deux morceaux de U-235 se rejoignent et dépassent la masse critique.
Les armes thermonucléaires tirent leur énergie des noyaux atomiques de fusion sous une chaleur intense. Les noyaux fusionnés dans les armes thermonucléaires sont constitués des isotopes de l'hydrogène, du deutérium et du tritium. Les réactions de fusion nécessitent des températures égales ou supérieures à celles trouvées dans le noyau solaire.
Le seul moyen pratique d’atteindre une telle température est une explosion de fission. Ainsi, les explosions thermonucléaires sont déclenchées par un dispositif de fission de type implosion. (Dans la méthode d'implosion, une masse sous-critique est rendue supercritique en la comprimant dans un volume plus petit.)
Les premières armes nucléaires étaient deux bombes à fission utilisées par les États-Unis pendant la Seconde Guerre mondiale (1939-1945). Pendant la guerre, une ville a été larguée sur chacune des villes japonaises d’Hiroshima et de Nagasaki.
Les engins explosifs nucléaires peuvent avoir une grande variété de rendements. Certaines bombes plus anciennes avaient des rendements d'environ 20 mégatonnes, soit 1 540 bombes d'Hiroshima. Une mégatonne est la quantité d'énergie libérée par 907 000 tonnes métriques de TNT. Aujourd'hui, en raison de la précision accrue des missiles, la plupart des dispositifs nucléaires ont des rendements inférieurs à 1 mégatonne.
Radio-isotopes:
Différentes formes de rayonnement prennent naissance dans les noyaux d'atomes radioactifs. Il existe trois types de rayonnement radioactif: les particules alpha, qui ont été identifiées pour la première fois par Becquerel; rayons bêta, identifiés par Ernest Rutherford; et les rayons gamma, identifiés par Marie et Pierre Curie. L'émission de rayons alpha ou bêta provoque la transmutation, mais le rayonnement gamma n'entraîne pas de transformation.
Un élément peut être transformé artificiellement en un autre. Tous les radio-isotopes artificiels sont produits en rendant radioactifs les isotopes stables, c'est-à-dire instables, leurs noyaux se séparant pour libérer de petites particules et de l'énergie (radioactivité). Chaque élément dont le numéro atomique est supérieur à celui du plomb (82) est radioactif.
Des radio-isotopes artificiels peuvent être produits en bombardant des atomes avec des particules et des rayons émis par des éléments radioactifs dans un réacteur nucléaire. Ils peuvent également être produits en brisant des atomes dans des accélérateurs de particules tels que le cyclotron. Le fait que les matières radioactives puissent être détectées par leur rayonnement les rend utiles dans de nombreux domaines.
Les isotopes radioactifs sont utilisés efficacement comme traceurs à des fins de diagnostic en médecine. Arsenic-74 est utilisé pour détecter les tumeurs. Le sodium 24 est utilisé pour détecter les caillots sanguins dans le système circulatoire. L'iode-131 (1-131) est utilisé pour déterminer l'activité de la glande thyroïde. Le cobalt-60 est utilisé dans le traitement du cancer; l'iridium 192 et le césium 137 sont également utilisés.
La production de radio-isotopes en Inde a commencé en 1956 avec la mise en service du réacteur de recherche Apsara à Trombay. La capacité de production de radio-isotopes a été accrue en 1963 lorsque le Cirus 40 MWt est devenu opérationnel à Trombay. En 1985, avec la mise en service de Dhruva par BARC, l’Inde est devenu l’un des principaux producteurs de radio-isotopes à large spectre.
Les réacteurs de recherche de Trombay produisent une variété de radio-isotopes destinés à diverses utilisations. Les réacteurs de puissance sont également équipés pour produire un radio-isotope au cobalt 60.
Le cyclotron à énergie variable de VECC est également utilisé pour la fabrication de radio-isotopes, qui sont traités pour des applications médicales. Les produits et services basés sur le rayonnement et les radio-isotopes offerts par DAE par le biais de BARC et de BRIT comprennent les sources radio et le matériel de radiographie industrielle; technologies des radiotraceurs dans la détection des fuites, le mouvement du limon et les applications en hydrologie; traitement par rayonnement, polymérisation par rayonnement, salinité du sol et autres.
BRIT s'est vu confier la responsabilité du traitement d'une variété de radio-isotopes et de leurs produits dérivés, ainsi que de la fourniture d'équipements de radiographie industrielle et d'équipements de irradiation gamma pour les applications de cette technologie.
Le Centre de médecine radiologique (CMR) de BARC à Mumbai, un centre de premier plan dans le pays dans le domaine du diagnostic radio et de la radiothérapie, est un centre de référence régional de l'Organisation mondiale de la santé (OMS) pour l'Asie du Sud-Est.
Les activités du centre couvrent les domaines de la médecine nucléaire et des services connexes, du diagnostic et du traitement cliniques, du développement interne de produits radiopharmaceutiques, de la technologie RIA pour les hormones thyroïdiennes et les antigènes et anticorps tuberculeux, etc.
Les radio-isotopes destinés aux applications médicales sont également fabriqués en utilisant le cyclotron à énergie variable de Kolkata. Le centre régional de médecine radiologique (RRMC) répond aux besoins en matière de radio-diagnostic et de radiothérapie de la région orientale du pays. CAT chez Indore a développé des lasers pour des applications médicales.
En Inde, les radiations sont utilisées depuis des décennies pour la stérilisation des produits médicaux. Une installation de stérilisation par rayonnement commerciale (ISOMED) située à Trombay fournit des services de stérilisation au secteur médical. Un grand laboratoire de radiopharmaceutique appelé ISOPHARM a été créé à Vashi, à Mumbai.
Des installations similaires à Isomed ont été utilisées à Bengaluru, New Delhi et Jodhpur. Pour une utilisation dans les banques de sang et les hôpitaux, BRIT a mis au point un équipement d'irradiateur de sang qui constitue un important substitut à l'importation.
Utilisations des radio-isotopes:
Dans l'industrie, les rayons gamma peuvent être utilisés pour examiner les points faibles des pièces moulées ou des soudures dans les oléoducs. Les rayons traversent le métal et assombrissent un film photographique aux endroits opposés aux points faibles. Les fabricants peuvent placer un radio-isotope qui émet des particules bêta au-dessus d'une feuille de matériau.
Un détecteur de particules bêta de l'autre côté mesure la force des radiations qui traversent. Si l'épaisseur de la feuille augmente, moins de particules atteignent le détecteur. Le détecteur peut contrôler les rouleaux et maintenir la feuille aux épaisseurs souhaitées. Les rayons gamma peuvent être utilisés dans la lutte contre les ravageurs, en particulier dans les entrepôts. Les aliments irradiés ont une durée de vie plus longue.
Dans Research, les scientifiques utilisent des radio-isotopes en tant que traceurs pour déterminer comment les produits chimiques agissent dans le corps des plantes et des animaux. Tous les isotopes d'un élément sont chimiquement identiques, de sorte que le radio-isotope peut être utilisé de la même manière que les isotopes ordinaires.
Par exemple, pour suivre le cours du phosphore dans une plante, un botaniste peut mélanger du phosphore radioactif avec du phosphore ordinaire. Pour savoir quand le phosphore atteint une feuille, il peut placer un compteur Geiger, qui détecte la radioactivité, sur la feuille. Pour savoir où se loge le phosphore dans la feuille, il peut placer la feuille sur une plaque photographique. Dans la plaque développée, appelée autoradiographie, les régions assombries indiquent la position du radio-isotope.
En médecine:
L'utilisation de radio-isotopes fait partie d'une spécialité appelée médecine nucléaire. Les radio-isotopes sont principalement utilisés pour étudier le fonctionnement de divers organes du corps. Pour ce faire, un médecin administre un radio-isotope attaché à une substance porteuse. La substance porteuse s'accumule dans l'organe que le médecin souhaite étudier.
Par exemple, si le médecin souhaite étudier la fonction rénale d'un patient, un radio-isotope est fixé à une substance de support qui s'accumule dans les reins. Lorsque le radio-isotope se décompose, il émet des rayons gamma. Certains des rayons sont captés par un appareil appelé scanner. Le médecin "lit" l'image sur le scanner pour déterminer si les reins fonctionnent correctement.
Les radio-isotopes sont également utilisés pour traiter le cancer. Les radiations à fortes doses détruisent les tissus vivants, en particulier les cellules en cours de division. Comme les cellules cancéreuses se divisent plus souvent que les cellules normales, les radiations tuent plus de cellules cancéreuses que les cellules normales. Un médecin peut en tirer parti en administrant un radio-isotope qui s’accumule dans un organe cancéreux.
Par exemple, un radio-isotope de l'iode 1-131 peut être utilisé pour traiter le cancer de la glande thyroïde, car cette glande accumule de l'iode. Lorsque l'iode radioactif se transforme, il émet un rayonnement qui tue les cellules cancéreuses. Le cobalt-60 est également utilisé dans le traitement du cancer. L'arsenic-74 est utilisé pour détecter les tumeurs. Les caillots sanguins dans le système circulatoire sont localisés par Sodium-24.
En agriculture:
Les radio-isotopes ont été utilisés pour favoriser la mutation génétique naturelle des plantes afin de hâter la reproduction ou de développer des plantes présentant de nouvelles caractéristiques. L'efficacité des engrais peut également être étudiée avec des radio-isotopes. BARC a un programme de développement et de production de biomolécules marquées au phosphore 32 pour aider la recherche en génie génétique, en technologie des enzymes et dans les domaines liés à l'énergie.
Les isotopes sont utilisés pour étudier la recharge des eaux souterraines, les infiltrations dans les barrages et les systèmes de canaux, ainsi que l’intrusion d’eau de mer dans les aquifères côtiers.
Datation radioactive:
La datation au radiocarbone est un processus utilisé pour déterminer l'âge d'un objet ancien en mesurant sa teneur en radiocarbone. Cette technique a été développée à la fin des années 1940 par Willard F. Libby, un chimiste américain.
Les atomes de radiocarbone, comme toutes les substances radioactives, se désintègrent à un taux précis et uniforme. La moitié du radiocarbone disparaît après environ 5 700 ans. Par conséquent, le radiocarbone a une demi-vie de cette période.
Après environ 11 400 ans, il reste un quart de la quantité initiale de radiocarbone. Après 5 700 ans, il ne reste qu'un huitième, et ainsi de suite.
Le radiocarbone dans les tissus d'un organisme vivant décroît extrêmement lentement, mais il se renouvelle continuellement aussi longtemps que l'organisme vit. Après la mort de l'organisme, il ne pénètre plus dans l'air ni dans les aliments et n'absorbe donc plus le radiocarbone. Le radiocarbone déjà présent dans les tissus continue à diminuer à un rythme constant. Cette décroissance constante à un taux connu - une demi-vie d'environ 5 700 ans - permet aux scientifiques de déterminer l'âge d'un objet.
Après avoir mesuré le contenu en radiocarbone d’un objet, les scientifiques le comparent au radiocarbone dans les cernes d’arbres dont les âges sont connus. Cette technique leur permet de compenser les faibles variations de la teneur en radiocarbone dans l'atmosphère à différentes époques. Ce faisant, les scientifiques peuvent convertir l'âge du radiocarbone d'un objet en une date plus précise.
Des radio-isotopes à très longue demi-vie sont utilisés pour dater des spécimens de roches tels que l'uranium 238. Uranium 235 qui devient le plomb 207; le thorium 232, qui devient le plomb 208; rubidium 87 qui se transforme en strontium 87; et le potassium 40, qui se transforme en argon 40, sont des radio-isotopes qui peuvent être utilisés pour calculer l’âge des roches.
Risques nucléaires et problèmes de sécurité:
Récemment, les dangers inhérents aux centrales nucléaires ont suscité de vives appréhensions: craintes des radiations, élimination des déchets, accidents désastreux. Bien que certains des risques soient réels, les scientifiques du nucléaire soulignent que nombre d'entre eux ne sont pas basés sur des faits scientifiques et sur une observation impartiale.
Risque de radiation:
Il ne fait aucun doute que les radiations causent des dommages aux cellules vivantes, mais cela dépend de l'intensité des radiations et du temps d'exposition. Lorsqu'un atome d'une cellule organique complexe est exposé à un rayonnement, une ionisation se produit et des molécules se désintègrent, affectant ainsi le système biologique, voire détruisant parfois la cellule.
Bien que les doses élevées entraînent la mort, les doses faibles peuvent avoir un effet cumulatif et provoquer des cancers, en particulier de la peau, ainsi que des leucémies. Cela peut affecter les tissus lymphatiques, le système nerveux et les organes reproducteurs. Cependant, les effets indésirables surviennent après des doses de rayonnement extrêmement élevées et constantes.
Il y a effectivement des rejets de radioactivité dans l'air et dans l'eau des réacteurs, mais ils sont maintenus dans les limites prescrites par la AERB. La Terre est constamment bombardée par les particules nucléaires des rayons cosmiques (65% des radiations naturelles subies par un être humain en sont la cause).
Le rayonnement de fond provenant de sources terrestres et extraterrestres est beaucoup plus élevé que le rayonnement provenant de centrales nucléaires. Dans les circonstances, l'exposition aux radiations provenant de centrales nucléaires est d'une quantité négligeable. The fear of radiation arises because most people are unwilling to believe in any “safe level” for radiation exposure.
Hazard from Nuclear Waste:
Another aspect of nuclear hazard is waste management. The general technique of dealing with radioactive wastes is to concentrate and contain as much radioactivity as possible, and discharge to the environment only effluent of as low a concentration level as is possible.
At inland sites like Narora and Rawatbhatta, low level liquid wastes are discharged into the environment at a minimum level. At coastal sites such as Tarapur and Chennai significant dilution in the sea is possible. For solid wastes, different types of containments are used and located at sites selected on the basis of geological and geohydrological evaluation.
The fissioning of U-235 produces many radioactive isotopes, such as strontium 90, caesium 137, and barium 140. These wastes remain radioactive and dangerous for about 600 years because of the strontium and caesium isotopes. If these get into food or water supplies, they can be taken into people's bodies where they can cause harm.
The body is unable to distinguish between radioactive strontium and calcium, for instance. The plutonium and other artificially created elements in the wastes remain radioactive for thousands of years. Even in small amounts, plutonium can cause cancer or genetic (reproductive) damage in humans.
Larger amounts can cause radiation sickness and death. Safe disposal of these wastes is one of the problems involved in nuclear power production. The wastes are carefully managed by incorporating them in inert solid matrices and placing them in canisters which are kept under cooling till the radioactivity comes to desired level. Finally, the canisters are stored in suitable geological media. However, the problem is not entirely resolved.
Effects of a Nuclear Explosion:
The effects that a nuclear explosion has on people, buildings, and the environment can vary greatly, depending on a number of factors. These factors include weather, terrain, the point of explosion in relation to the earth's surface, and the weapon's yield.
The weapon's explosion would produce four basic effects:
(i) Blast Wave:
The explosion begins with the formation of a fireball, which consists of a cloud of dust and of extremely hot gases under very high pressure. A fraction of a second after the explosion, the gases begin to expand and form a blast wave, also called a shock wave.
The blast wave and wind probably would kill the majority of people within 5 kilometers of ground zero and some of the people between 5 and 10 kilometers from ground zero. Many other people within 10 kilometers of groupd zero would be injured.
(ii) Thermal radiation:
This consists of ultraviolet, visible, and infrared radiation given off by the fireball. The ultraviolet radiation is rapidly absorbed by particles in the air, and so it does little harm. However, the visible and infrared radiation can cause eye injuries as well as skin burns called flash burns.
Between 20 and 30 per cent of the deaths of Hiroshima and Nagasaki resulted from flash burns. Thermal radiation also can ignite such highly flammable materials as newspapers and dry leaves. The burning of these materials can lead to large fires.
(iii) Initial nuclear radiation:
This is given off within the first minute after the explosion. It consists of neutrons and gamma rays. The neutrons and some of the gamma rays are emitted from the fireball almost instantaneously. The rest of the gamma rays are given off by a huge mushroom-shaped cloud of radioactive material that is formed by the explosion. Nuclear radiation can cause the swelling and destruction of human cells and prevent normal cell replacement.
Large doses of radiation can cause death. The amount of harm a person would suffer from initial nuclear radiation depends in part on the person's location in relation to ground zero. Initial radiation decreases rapidly in strength as it moves away from ground zero.
(iv) Residual Nuclear Radiation:
This comes later than one minute after the explosion. Residual radiation created by fission consists of gamma rays and beta particles. Residual radiation produced by fusion is made up primarily of neutrons. It strikes particles of rock, soil, water, and other materials that make up the mushroom-shaped cloud. As a result, these particles become radioactive. When the particles fall back to earth, they are known as fallout. The closer an explosion occurs to the earth's surface, the more fallout it produces.
Early fallout consists of heavier particles that reach the ground during the first 24 hours after the explosion. These particles fall mostly downwind from ground zero. Early fallout is highly radioactive and will kill or severely damage living things.
Delayed fallout reaches the ground from 24 hours to a number of years after the explosion. It consists of tiny, often invisible, particles that may eventually fall in small amounts over large areas of the earth. Delayed fallout causes only long-term radiation damage to living things. However, this damage can be serious for certain individuals.
Mesures de sécurité:
Les principaux risques de la production d’énergie nucléaire proviennent des grandes quantités de matières radioactives produites par un réacteur. Ces matériaux émettent des radiations sous forme de rayons alpha, bêta et gamma. Ainsi, les sites des centrales nucléaires sont choisis en tenant compte des paramètres de sécurité. Les installations sont conçues pour une utilisation en toute sécurité grâce à une série de mesures de protection. Reconnaissant les possibilités d'erreur humaine, de dysfonctionnement des équipements et de phénomènes naturels extrêmes, les installations sont conçues selon le concept de «défense en profondeur».
Une cuve de réacteur est entourée d'épais blocs de béton appelés boucliers, qui empêchent normalement presque tout le rayonnement de s'échapper.
Dans les pays dotés d'énergie nucléaire, les réglementations limitent la quantité de rayonnement autorisée par les centrales nucléaires. Chaque usine dispose d'instruments qui mesurent en permanence la radioactivité dans et autour de l'usine. Ils déclenchent automatiquement une alarme si la radioactivité dépasse un niveau prédéterminé. Si nécessaire, le réacteur est arrêté.
Les mesures de sécurité de routine d'une usine réduisent considérablement le risque d'accident grave. Néanmoins, chaque usine dispose de systèmes de sécurité d’urgence. Les urgences possibles vont d'une rupture de conduite d'eau d'un réacteur à une fuite de rayonnement de la cuve du réacteur. Une telle urgence active automatiquement un système qui arrête instantanément le réacteur, un processus appelé brouillage. Le brouillage est généralement accompli par l'insertion rapide des barres de commande dans le noyau.
Une fuite ou une rupture dans la conduite d'eau d'un réacteur pourrait avoir des conséquences graves en cas de perte de liquide de refroidissement. Même après l’arrêt d’un réacteur, les matières radioactives restant dans le cœur du réacteur peuvent devenir si chaudes sans liquide de refroidissement suffisant pour que le cœur fonde. Cette condition, appelée fusion, peut entraîner la libération de quantités dangereuses de radiations.
Dans la plupart des cas, la grande structure de confinement qui abrite un réacteur empêcherait la radioactivité de s'échapper dans l'atmosphère. Cependant, il est peu probable que le noyau en fusion devienne suffisamment chaud pour brûler le sol de la structure de confinement et pénétrer profondément dans la terre.
Les ingénieurs nucléaires qualifient ce type de situation de «syndrome de Chine». Pour éviter un tel accident, tous les réacteurs sont équipés d'un système de refroidissement d'urgence du cœur, qui noyera automatiquement le cœur en eau en cas de perte de réfrigérant.
Les doses de rayonnement externes reçues par les travailleurs des différentes régions du pays sont contrôlées mensuellement. Un service de surveillance de film est fourni aux personnes travaillant dans des institutions médicales, industrielles et de recherche. Un service de surveillance par dosimètre thermo-luminescent et un service de surveillance par neutrons rapides sont fournis aux personnes travaillant dans les réacteurs, les installations de retraitement du combustible et les accélérateurs.
La Commission internationale de protection radiologique (CIPR) a recommandé aux travailleurs du secteur des rayonnements une limite de dose efficace de 20 MSV par an en moyenne sur cinq ans, en prévoyant en outre que la dose efficace ne devrait pas dépasser 50 MSV par an.
L’AIEA classe les événements sur l’échelle internationale des événements nucléaires - une échelle de 0 à 7 en fonction de leur gravité. Des événements que l'on peut qualifier d '"accidents" - de niveau 4 et plus sur l'échelle - se sont tous déroulés jusqu'à présent dans l'Ouest (Tchernobyl avait 7 ans sur l'échelle; l'incendie de Narora a été placé au niveau 3). Qui plus est, les complexes d’armes posent beaucoup plus de problèmes liés à la sécurité.
