Comprendre les transformations nucléaires

Un noyau contient des protons, chargés positivement, et des neutrons, sans charge électrique. Ces particules sont les nucléons. Le numéro atomique Z est le nombre de protons ; il définit l’élément chimique. Le nombre de masse A est le nombre total de nucléons. Le nombre de neutrons vaut donc A − Z. Dans l’écriture conventionnelle d’un noyau, le symbole de l’élément est accompagné de A en haut à gauche et de Z en bas à gauche ; dans les équations ci-dessous, les indices sont indiqués explicitement lorsque nécessaire.

Deux noyaux sont isotopes s’ils ont le même nombre de protons et des nombres de neutrons différents. Ils appartiennent donc au même élément, avec un même Z et des A différents. Le carbone 12 et le carbone 14 sont deux isotopes du carbone. Cette différence de composition nucléaire ne doit pas être confondue avec une différence de charge d’ions : gagner ou perdre un électron modifie le cortège électronique, pas le noyau.

L’atome neutre associé possède Z électrons, mais l’équation d’une réaction nucléaire suit d’abord les noyaux. Un isotope n’est pas nécessairement radioactif : le mot isotope exprime une comparaison de composition, pas une instabilité. Une transformation nucléaire peut être spontanée ou provoquée par une interaction avec une particule. Ici, la priorité est de reconnaître les changements de noyaux à partir d’une description ou d’une équation donnée.

Dans les réactions nucléaires simples étudiées ici, on vérifie la conservation du nombre total de nucléons et de la charge électrique. Pour les noyaux et les neutrons figurant dans nos exemples, cela revient à conserver les sommes des A et des Z. Un neutron est noté ¹₀n : il compte un nucléon et porte une charge nulle. Les éléments chimiques peuvent changer ; conserver chaque élément, comme dans une réaction chimique, serait donc un mauvais contrôle.

Une équation qui respecte ces deux conservations n’est pas pour autant une preuve que la réaction se produit dans n’importe quelles conditions. Elle décrit un bilan possible dans une situation documentée ; les conditions physiques et la probabilité de la réaction comptent aussi. À notre niveau, on vérifie une équation fournie et on classe la transformation. On ne déduit pas l’existence d’un procédé industriel en inventant simplement des noyaux dont les nombres s’additionnent.

La fusion réunit des noyaux légers pour former un noyau plus lourd, éventuellement avec émission d’autres particules. La réaction deutérium-tritium est un exemple d’étude de fusion ; elle ne décrit pas directement la chaîne principale de réactions du Soleil. Dans le Soleil, des réactions successives convertissent globalement des noyaux d’hydrogène en noyaux d’hélium. Les conditions du cœur permettent ces transformations et l’énergie convertie finit notamment par être rayonnée vers l’espace.

La fission scinde un noyau lourd en noyaux plus légers, avec émission possible de neutrons. Dans une centrale à fission, certains noyaux du combustible peuvent subir cette transformation après absorption d’un neutron. Les neutrons émis peuvent provoquer d’autres fissions : c’est le principe d’une réaction en chaîne. Dans un réacteur, la réaction est contrôlée ; l’énergie libérée se transmet au milieu et permet une production thermique, puis électrique selon l’installation.

Fusion ne veut pas dire fusion d’un solide. Dans une transformation physique, le mot fusion signifie le passage du solide au liquide. En physique nucléaire, il désigne une réunion de noyaux. Le contexte et les objets transformés lèvent l’ambiguïté. De même, le Soleil ne brûle pas son hydrogène par combustion avec du dioxygène : une combustion est une réaction chimique entre espèces, tandis que l’énergie solaire étudiée ici provient de réactions nucléaires.

Une transformation nucléaire qui libère de l’énergie ne crée pas cette énergie à partir de rien. Elle convertit de l’énergie liée à l’état des noyaux. Une partie se retrouve notamment sous forme d’énergie de mouvement des produits et de rayonnements, puis peut être transférée au milieu. Les masses au repos des produits et des réactifs ne sont pas rigoureusement identiques ; leur différence est liée au bilan énergétique. Conserver le nombre de nucléons ne revient donc pas à affirmer l’égalité exacte des masses au repos.

Dans une centrale, il faut distinguer la réaction dans le combustible, les transferts thermiques, le mouvement d’une turbine et la production électrique par un alternateur. La turbine ne provoque pas la fission et un alternateur ne transforme pas directement des noyaux en courant. Dans le Soleil, l’énergie rayonnée rejoint l’environnement après des transferts internes. Deux usages énergétiques peuvent ainsi reposer sur des réactions nucléaires différentes : fission dans les centrales étudiées, fusion dans le Soleil.

Pour exploiter un document énergétique, commence par préciser la grandeur : une énergie s’exprime par exemple en joules, une puissance en watts représente une énergie transférée par unité de temps. Une valeur élevée ne permet pas seule de classer une transformation. Une grande quantité de combustible chimique peut libérer beaucoup d’énergie ; le critère nucléaire reste la modification des noyaux. Toute comparaison doit annoncer des quantités comparables et les limites du système considéré.

Pour classer une transformation, observe les objets conservés. L’eau qui se vaporise garde les molécules H₂O : transformation physique. Le méthane qui réagit avec le dioxygène forme notamment CO₂ et H₂O : transformation chimique, les noyaux des atomes gardent leur identité. La fission d’uranium forme de nouveaux noyaux : transformation nucléaire. Le fait qu’une transformation chauffe son environnement ne tranche aucune de ces trois catégories.