Première version: 30/10/2003
Dernière version: 2015-05-07
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propergol = carburant hydrogène H2 et comburant oxygène O2
H = atome Hydrogène
D = atome Deutérium (atome hydrogène dont le noyau possède 1 neutron en plus
du proton de l'hyrdrogène)
O = atome Oxygène
H2 = molécule (gazeuse à température ambiante) d'hydrogène
D2 = molécule (gazeuse à température ambiante) de deutérium
O2 = molécule (gazeuse à température ambiante) d'oxygène
H2O = eau légère.
D2O = deutérium, que pour ne pas confondre j'appellerais eau
lourde.
Symboles : - signifie une liaison covalente, ... une liaison hydrogène.
L'eau lourde à été découverte en 1930.
Il s'agit d'une molécule d'eau dont les deux atomes d'H ont été remplacés
par des atomes de Deutérium (D). Le D diffère de l'H en ceci que son noyau
contient un neutron en plus de l'unique proton. Le noyau de D est donc
constitué d'1 neutron accolé à 1 proton.
Cette atome de deutérium est donc deux fois plus lourd que l'atome
d'hydrogène, l'eau lourde est donc légèrement plus dense que l'eau
légère.
L'eau lourde est donc notée D2O (on peut aussi l'appeler oxyde de
deutérium, tout comme l'eau est un oxyde d'hydrogène).
L'eau lourde est un liquide incolore, inodore et insipide, de densité 1,106
(contre 1 pour l'eau), d'où son nom d'eau lourde.
Cet isotope de l'eau (D2O) est stable, et est présent en faible
quantité dans l'eau (de l'ordre de 0,014%) de tous les jours. On peut boire
sans danger l'eau lourde. Le deutérium d'ailleurs n'est pas radioactif
(n'émet pas son neutron en excès sous forme de rayonnement).
Le deutérium se trouve sinon sous forme gazeuse (molécule D2).
Dans un volume d'hydrogène gazeux (H2), on retrouve 0,02% de
deutérium gazeux (gaz formé de deux atomes D-D, nommé par la suite
D2).
Dans 1 litre d'eau de mer, on trouve 33 mg de deutérium (donc à peu près
0,03% en masse de l'eau de mer), et 0,17 mg de tritium.
La densité de l'eau lourde et de 11% supérieure à l'eau légère. Elle
bout à 101,42°C au lieu de 100°C, et son point de congélation est de
3,81°C au lieu de 0°C.
Son indice de réfraction est plus petit que celui de l'eau (la lumière va
plus vite dans l'eau lourde).
Les sels y sont généralement moins solubles.
Il s'électrolyse moins vite que l'eau.
La méthode la plus répandue de produire le deutérium ou l'eau lourde au niveau industriel est le traitement de l'eau ordinaire par distillation, électrolyse (l'eau légère est électrolysée en premier) ou échange isotopique pour en augmenter le pourcentage de deutérium. On peut également traiter l'hydrogène industriel ou le gaz de synthèse ammoniac, eux-mêmes provenant du traitement du gaz naturel ou du pétrole. Le deutérium lui-même est extrait de l'eau lourde par voie électrolytique.
Le tritium est généré par le deutérium et l'hydrure de lithium.
On peut retirer le deutérium de l'eau par action du sodium à froid ou du fer au rouge.
Dans les centrales nucléaires, l'eau lourde est certainement le meilleur
modérateur, elle joue de plus le rôle de liquide de refroidissement grâce
à sa grande capacité d'absorption de chaleur.
Elle permet l'utilisation de l'uranium naturel comme combustible en particulier
sous la forme d'oxyde. L'économie de neutrons est telle qu'elle autorise une
irradiation du combustible supérieure à celle existant dans un réacteur à
graphite et uranium naturel. La production d'eau lourde nécessite des usines
spécialisées.
Seul le Canada l'utilise avec ses réacteurs CANDU. En France cette filière
fut abandonnée à cause de son prix, mais aussi de son moins bon rendement.
En effet, l'eau lourde est très coûteuse à obtenir, et l'usage nucléaire
réclame une concentration en deutérium de 99,7 % (donc à peine quelques
traces d'hydrogène dans les molècules d'eau).
L'eau lourde n'absorbe donc pas les neutrons issus de la fission, elle les ralentis suffisamment pour qu'ils puissent générer d'autres réactions de fission nucléaire avec l'uranium, entraînant la réaction en chaîne. Si on utilisait de l'eau ordinaire, les neutrons seraient plus absorbés.
Le neutrino à été proposé par Pauli en 1930 (la même année que la
découverte de l'eau lourde) pour résoudre un problème posé par la
désintégration béta. Cette particule sera détectée en 1956.
Particule élémentaire sans masse (mais le modèle standard reste à définir
à ce sujet), elle interagit avec la matière par le biais de la force faible,
ce qui rend les neutrinos quasiment transparent pour la matière.
Produite lors d'une fusion ou fission nucléaire, le soleil et les étoiles
en envoient de grande quantité dans l'espace.
Sources de neutrinos :
- Les étoiles (comme le soleil)
- explosions d'étoiles (supernova),
- les neutrinos beaucoup plus anciens (dont la formation remonte à celle de la
naissance de l'univers) qui constituent le rayonnement fossile
- les centrales nucléaires (une bonne partie de l'uranium est utilisée par
les neutrinos).
- le sol par le biais de la radioactivité naturelle
Le soleil produit plus de deux cent trillions de neutrinos par seconde, et l'explosion d'une supernova libère 1000 fois plus de neutrinos que la quantité produite par le soleil durant ses 10 milliards d'années d'existence.
Nous sommes traversés en permanence par des milliards de neutrinos chaque seconde, mais seulement un ou deux neutrinos, de plus haute énergie, seront diffusés par notre corps durant toute notre vie.
Mais voyons plus avant ce qu'est ce neutrino qui constitue l'élément que l'on trouve en plus grand nombre dans l'univers.
Il existe trois saveurs du neutrinos, ce qui nous amènent à trois types de neutrinos connus, et 6 si l'on compte les anti-neutrinos associés.
Les neutrinos se déplacent à plus de 75% de vitesse de la lumière dans l'eau Lourde.
L'interaction d'un neutrino avec une molécule d'eau lourde produit une
émission lumineuse, c'est l'effet Cherenkov. C'est d'ailleurs
grâce à cette lumière qu'on peut mesurer le nombre de neutrinos émis par le
soleil.
Cette lumière est due à un électron libéré dont la vitesse est supérieure
à celle de la lumière dans l'eau (la lumière va moins vite dans l'eau que
dans le vide). Ce qui provoque une onde de choc similaire à celle produite par
un avion dépassant le mur du son.
Le deutérium est une matière thermonucléaire. Autrement dit, deux atomes de deutérium ou encore un atome de deutérium et un atome de tritium peuvent se combiner ou fusionner à des températures très élevées pour produire un atome plus lourd, l'hélium, en même temps qu'ils dégagent de l'énergie. La réaction deutérium-tritium s'opère plus rapidement aux températures réalisables que les autres réactions de fusion.
- 2 Articles paru dans Pour la Science de octobre 2003, sur la détection des neutrinos solaires (Sandbury) et ses réactions avec l'eau lourde.
- http://laurentian.ca/physics/SNO/neutrino.html, une page sur la recherche scientifique pour comprendre les neutrinos.
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à suivre...