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Périodes et activités
La décroissance radioactive : une loi fondamentale
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[Période de désintégration, Activité d'un radioélément, Désintégrations en cascade, Equilibre radioactif, Calculs de filiations]
La loi de décroissance radioactive est une fondamentale de la radioactivité. Quand un noyau se désintègre en émettant une particule alpha ou un électron bêta, il se transforme : c’est ainsi que du radium devient du radon, du tritium de l’hélium ! De ce fait, le nombre d’atomes de l’espèce radioactive diminue inexorablement.Il en va de même du nombre de désintégrations par seconde, que l’on appelle activité de la source radioactive, et du nombre de rayonnements émis. Marchant de concert, ces trois quantités diminuent parallèlement !
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DemiVie
Le nombre de noyaux d’un échantillon radioactif diminue de moitié au bout d’un temps caractéristique appelé " période radioactive". Cette division par deux ne dépend pas de l’âge des noyaux. Au bout de deux périodes, le nombre de noyaux est divisé par quatre, au bout de trois périodes par huit, etc… Cette loi de décroissance en fonction du temps est dite exponentielle. La période est, avec la nature des rayonnements émis, la principale caractéristique d’un d’élément radioactif.
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La décroissance est simple quand le noyau retrouve la stabilité après avoir émis son rayonnement : une décroissance semblable à celle d’une monnaie qui perdrait chaque année quelques pourcents de sa valeur. La population des radioéléments décroît selon une loi appelée exponentielle. Cette population est divisée par deux, chaque fois qu'un laps de temps caractéristique de l'isotope, appelé période, s'écoule. La période radioactive, qui mesure la rapidité de la décroissance, est une caractéristique du noyau.
L’évolution se complique si l’espèce radioactive est elle-même issue de désintégrations antérieures. On parle alors de filiation radioactive. L’espèce peut être également régénérée d'une façon continue par le rayonnement cosmique comme le carbone-14 dans l’atmosphère ou encore par le bombardement de neutrons à l’intérieur d’un réacteur. Au bout d’un certain temps un équilibre va s'établir : l’équilibre radioactif. En tout état de cause, le nombre de noyaux qui se désintègrent à un instant donné reste toujours en proportion du nombre de noyaux de l’espèce présents.
Des millions de milliards de milliards d'atomes sont présents dans le moindre gramme de matière. Même présents en proportion infime dans un échantillon, les noyaux radioactifs sont innombrables. L’activité (le rythme de leurs désintégrations ou des rayons qu'ils émettent) est toujours mesurée par des chiffres impressionnants qui reflètent simplement la petitesse des noyaux et leur multitude symbolisée par le nombre d'Avogadro.
La transformation radioactive d’un noyau individuel est un phénomène spontané et aléatoire dont on ne saurait prédire quand elle se produira. La transformation d'un noyau ne dépend pas de son âge et n'influence pas les autres. Un noyau de carbone 14 provenant des cendres d'un foyer d’une caverne préhistorique et un autre provenant d’un arbre fraîchement coupé ont la même chance de se désintégrer dans les temps à venir.
Cette probabilité de désintégration constante au cours du temps est une caractéristique du noyau, reliée simplement à la période radioactive.
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Les déchets radioactifs décroissent aussi
La décroissance radioactive joue un grand rôle dans la gestion des déchets radioactifs. Elle est compliquée par la présence simultanée de plusieurs espèces radioactives, chacune décroissant indépendamment à son propre rythme. Par exemple, on recense 9 principales espèces contribuant à la très forte activité des déchets issus du retraitement des combustibles usés des réacteurs français. Les périodes sont très disparates : 7 possèdent des périodes allant de 2 à 90 ans ; 2 des périodes très longues, l'américium-241 (431 ans) et surtout le technetium-99 (211 000 ans).
Ces déchets ont été vitrifiés pour emprisonner la radioactivité. Il faut s'assurer que ces verres tiennent le temps nécessaire pour que cette radioactivité ne soit plus que l’ombre d’elle même. Faut-il attendre 200 000 ans, l’équivalent de 6 000 générations, comme l’affirmait une émission qui fit du bruit en octobre 2009 mais ne disait mot de cette décroissance ? De fait, la radioactivité du colis est divisée par 10 000 au bout de 5000 ans, date de la disparition de l’américium. Au delà, perdure le très faible résidu de radioactivité du technétium (*) . L’important, c’est de confiner la radioactivité jusqu’à cette disparition de l’américium. Les ingénieurs garantissent que leurs verres tiennent au moins 10 000 ans.
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Décroissance d’un colis de haute activité
A partir de l’inventaire des constituants établis par l’ANDRA, la décroissance de l’activité du colis de déchets de haute activité à été évaluée aux temps de 100, 1000 et 10 000 ans (l’activité est ici figurée par la taille du conteneur). Les contributions des principaux éléments sont également représentées. Aux environs de 1000 ans l’américium de 432 ans de période domine, alors que le résidu de technétium (T=211 000 ans) l’emporte à 10 000 ans et au delà. On voit que la décroissance de la radioactivité du déchet serait accélérée par l’élimination de l’américium par les techniques de transmutation.
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Voir aussi :
Agence Nationale des Déchets Radioactifs (ANDRA)
Calculs (Excel) de la décroissance d'un colis de déchets vitrifiés
Le nombre d'avogadro
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