Découvrez les secrets du diamant, explorant sa structure, applications variées, synthèse en laboratoire, et les enjeux éthiques de son extraction.
Le Diamant : Un Matériel Incomparable
Le diamant, un matériau emblématique reconnu pour sa brillance éblouissante et sa dureté exceptionnelle, a captivé l’humanité à travers les âges. La fascination qu’il exerce ne se limite pas uniquement à sa beauté et à son utilisation dans les bijoux, mais s’étend également à ses propriétés physiques et chimiques remarquables. La formule chimique du diamant est simple mais puissante : C, où le « C » représente l’atome de carbone. Pourtant, derrière cette simplicité se cache une multitude de caractéristiques étonnantes qui placent le diamant dans une catégorie à part dans le règne des matériaux.
Structure Cristalline et Propriétés
La structure cristalline du diamant est caractérisée par un arrangement tétraédrique des atomes de carbone, où chaque atome est lié à quatre autres atomes de carbone par des liaisons covalentes. Cette structure particulière est responsable de nombreuses propriétés uniques du diamant, notamment sa dureté exceptionnelle et sa haute conductivité thermique. Le diamant est, en fait, le matériau naturel le plus dur connu et est souvent utilisé dans des applications industrielles pour couper, percer, ou polir d’autres matériaux durs ou abrasifs.
Les Applications Diverses du Diamant
Industrie: En raison de sa dureté, le diamant est un élément essentiel dans divers outils de coupe et de forage.
Électronique: La conductivité thermique élevée et la résistance électrique du diamant en font un candidat idéal pour certaines applications électroniques.
Biomedicale: Les diamants sont utilisés dans le domaine médical, par exemple dans le traitement des calculs biliaires ou rénaux.
Joallerie: Naturellement, les diamants continuent de régner en maître dans le secteur de la bijouterie de luxe.
Les propriétés du diamant, notamment sa dureté et sa beauté naturelle, ont conduit à son utilisation dans une multitude de domaines, allant de la bijouterie à la recherche scientifique. Que ce soit comme symbole d’amour sous forme de bijou ou comme outil de coupe dans l’industrie manufacturière, le diamant s’est révélé être d’une polyvalence et d’une importance incomparables.
Les Diamants Synthétiques
En plus des diamants naturels, les avancées technologiques ont permis la production de diamants synthétiques. Ces derniers sont créés en laboratoire et imitent de près les propriétés des diamants naturels. À travers diverses méthodes, comme la pression haute-température (HPHT) et le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), les diamants synthétiques sont non seulement utilisés dans l’industrie de la bijouterie, mais aussi dans de nombreuses applications industrielles et scientifiques. Cela est dû à leur disponibilité accrue et à un coût généralement inférieur à celui des diamants naturels.
Les Diamants dans la Recherche et la Technologie
Le diamant ne cesse de fasciner non seulement les amateurs de bijoux, mais aussi les chercheurs et les scientifiques du monde entier. Dans le domaine de la recherche, les propriétés du diamant, telles que sa dureté et sa conductivité thermique, sont exploitées pour créer des équipements résistants et durables. En outre, les diamants peuvent être utilisés dans la technologie des semi-conducteurs, grâce à leur large bande interdite, leur stabilité chimique et leur capacité à résister à des températures et des pressions élevées. De plus, les nanodiamants, en particulier, jouent un rôle prometteur dans les domaines de la médecine et de la biotechnologie, offrant des solutions potentielles pour la livraison de médicaments et la thérapie cellulaire.
Les Défis et l’Éthique de l’Exploitation des Diamants
L’extraction de diamants n’est pas sans controverses et présente des défis majeurs en termes d’éthique et de durabilité. Les «diamants de sang», par exemple, font référence à des pierres qui sont extraites dans des zones de guerre et vendues pour financer des conflits armés. Cela a poussé l’industrie du diamant à prendre des mesures pour garantir que les diamants proviennent de sources éthiques et responsables. De plus, l’impact environnemental de l’extraction des diamants est un sujet de préoccupation croissante, engendrant un intérêt accru pour les diamants synthétiques comme alternative plus durable et éthique.
Conclusions
Le diamant, par sa simple beauté et sa complexité sous-jacente, continue d’occuper une place particulière dans de nombreux domaines, transcendant sa présence de pierre précieuse à un matériau indispensable dans diverses industries et recherches. La capacité du diamant à converger entre l’esthétique et la fonctionnalité est véritablement unique, offrant une richesse non seulement en termes de valeur monétaire, mais aussi en opportunités d’application et d’exploration dans la science et la technologie.
À la lumière des enjeux éthiques et environnementaux liés à l’extraction des diamants, l’industrie fait face à un tournant, où la synthèse de diamants en laboratoire et l’adoption de pratiques d’exploitation plus éthiques et durables vont probablement façonner l’avenir de ce secteur. Ainsi, les diamants continueront de scintiller non seulement dans notre imaginaire culturel et dans nos bijouteries, mais aussi dans nos laboratoires et nos industries, se frayant un chemin brillant vers un avenir où leur utilisation est à la fois responsable et innovante.
Que ce soit dans la création de bijoux étincelants, dans des applications industrielles robustes ou dans la pointe de la recherche scientifique, le diamant reste et restera un matériau de choix, couvrant un spectre étonnamment large d’applications et de symbolisme.
Découvrez tout sur l’éthanol, de sa formule chimique C2H5OH à ses usages variés, impacts environnementaux et mesures de sécurité.
Qu’est-ce que l’éthanol?
L’éthanol, également connu sous le nom d’alcool éthylique, est un composé organique couramment utilisé dans une variété d’applications. Sa formule chimique est C2H5OH, ce qui indique qu’il est composé de deux atomes de carbone (C), six atomes d’hydrogène (H) et un groupe hydroxyle (OH). Il s’agit d’un liquide incolore, volatil et inflammable avec une odeur caractéristique.
L’éthanol est surtout connu comme le type d’alcool trouvé dans les boissons alcoolisées, mais son utilisation s’étend bien au-delà de cela. Il est utilisé comme antiseptique et désinfectant, comme solvant dans l’industrie cosmétique et pharmaceutique, et comme carburant ou additif de carburant dans le secteur de l’énergie.
Production et synthèse
La production d’éthanol peut être réalisée par des procédés de fermentation ou de synthèse chimique. La fermentation est le processus biologique le plus ancien et le plus courant, où les sucres sont convertis en éthanol et dioxyde de carbone par l’action de levures. Les matières premières utilisées dans la fermentation peuvent inclure la canne à sucre, les grains comme le maïs, ou d’autres sources de biomasse riche en glucides.
D’autre part, la synthèse chimique de l’éthanol est effectuée principalement par l’hydratation de l’éthylène, un dérivé du pétrole. Cette méthode est privilégiée dans l’industrie chimique pour produire de l’éthanol avec un degré de pureté très élevé, nécessaire dans certains usages techniques et industriels.
Utilisations de l’éthanol
Boissons alcoolisées : L’éthanol est le composant actif des boissons alcoolisées, et sa concentration varie selon le type de boisson.
Carburant : Utilisé pur ou mélangé à de l’essence, l’éthanol sert de biocarburant, notamment dans les carburants E85 (un mélange de 85% d’éthanol et 15% d’essence).
Industrie médicale : En tant qu’antiseptique, l’éthanol est utilisé pour stériliser la peau avant les injections ou comme désinfectant pour les surfaces et les instruments.
Solvants : Sa capacité à se dissoudre dans l’eau et d’autres composés organiques rend l’éthanol utile comme solvant dans l’industrie cosmétique, pharmaceutique et chimique.
L’éthanol joue donc un rôle important non seulement dans notre vie sociale, à travers les boissons alcoolisées, mais aussi dans de nombreux domaines industriels et énergétiques. Sa production, tirée tant de sources renouvelables que non-renouvelables, souligne son importance économique et environnementale.
Impact environnemental et durable
L’utilisation de l’éthanol comme biocarburant est souvent mise en avant pour ses bénéfices potentiels sur l’environnement. En tant que carburant renouvelable, l’éthanol produit à partir de biomasse peut contribuer à réduire les émissions de gaz à effet de serre comparé aux carburants fossiles. Cependant, cette affirmation est nuancée par le bilan énergétique global de sa production, qui doit prendre en compte l’utilisation des terres, l’emploi d’engrais et de pesticides, ainsi que la consommation d’eau.
Les efforts pour produire de l’éthanol de manière plus durable comprennent l’utilisation de déchets agricoles ou de cultures nécessitant moins d’intrants chimiques. De plus, les avancées technologiques dans le domaine de la fermentation et de la génétique des levures visent à améliorer les rendements et à réduire les coûts environnementaux.
Sécurité et réglementation
Comme pour toute substance chimique, la manipulation et l’utilisation de l’éthanol sont soumises à des réglementations strictes pour garantir la sécurité des personnes et de l’environnement. L’inflammabilité de l’éthanol nécessite des précautions particulières lors de son stockage et de son transport. En outre, bien que l’éthanol soit moins toxique que d’autres solvants, une exposition prolongée ou à des concentrations élevées peut être nocive, ce qui requiert des mesures de protection adéquates dans les milieux industriels.
Sur le plan de la santé publique, la consommation d’éthanol dans les boissons alcoolisées est associée à divers risques pour la santé et fait l’objet de recommandations et de restrictions pour minimiser les abus et les dépendances.
Conclusion
L’éthanol est un composé aux multiples facettes, présent dans notre vie quotidienne sous diverses formes, de l’apéritif lors d’un dîner entre amis au réservoir de nos voitures. La polyvalence de l’éthanol en tant que solvant, antiseptique, et source d’énergie renouvelable en fait une substance précieuse dans plusieurs secteurs industriels. Toutefois, malgré ses avantages, l’utilisation responsable de l’éthanol est essentielle pour minimiser les impacts sur la santé et l’environnement. En tenant compte des considérations écologiques et de sécurité, l’éthanol continuera de jouer un rôle important dans la transition vers des pratiques plus durables et dans l’avancement de diverses technologies industrielles.
En définitive, l’éthanol est un acteur clé de l’économie verte, ainsi que de la chimie et de la médecine. Sa production, son utilisation et sa réglementation seront des enjeux continus pour les scientifiques, les politiques et les industriels dans les années à venir, cherchant à équilibrer les besoins humains avec la protection de notre planète.
Explorez les secrets de l’H₂O, sa structure unique, ses rôles écologiques et les défis de sa préservation pour l’avenir de notre planète.
La mystérieuse substance H₂O : L’eau, source de vie
L’eau est une molécule simple mais essentielle, dont la formule chimique est H2O. Cet assemblage de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène est à la base de la vie telle que nous la connaissons. Dans cet article, nous allons explorer les propriétés uniques de l’eau et son importance vitale pour notre planète.
Structure moléculaire de l’eau
La structure de l’eau est assez particulière : les atomes d’hydrogène sont liés à l’atome d’oxygène par des liaisons covalentes. Cette liaison crée un angle de 104,5° entre les atomes d’hydrogène, conférant à la molécule une forme tétraédrique. En outre, la différence d’électronegativité entre l’hydrogène et l’oxygène génère une polarité marquée, faisant de l’eau un excellent solvant pour de nombreuses substances.
Propriétés physiques et chimiques
L’eau possède des propriétés exceptionnelles qui influencent divers phénomènes physiques et chimiques. Par exemple, sa capacité à former des liaisons hydrogène lui confère une cohésion et une adhésion importantes, responsables de phénomènes comme la tension superficielle. Ces liaisons hydrogène sont également la raison pour laquelle l’eau a un point d’ébullition élevé par rapport à d’autres molécules de taille similaire.
Point de fusion: 0°C (à la pression atmosphérique normale)
Point d’ébullition: 100°C (à la pression atmosphérique normale)
Densité: Maximum à 4°C
En outre, l’eau est le seul composé chimique naturel courant sur Terre à exister sous ses trois états physiques : solide, liquide et gazeux. Cette particularité a d’importantes implications pour la régulation du climat et le cycle de l’eau.
Le rôle écologique et biologique de l’eau
L’eau est fondamentale pour toutes les formes de vie sur Terre. Elle est un composant majeur des cellules, agissant comme solvant et milieu de réaction pour les processus biochimiques. Elle joue également un rôle crucial dans la régulation de la température des organismes vivants et des écosystèmes.
Transport des nutriments et des déchets dans les organismes.
Participation aux réactions métaboliques.
Maintien de la structure des cellules et des protéines.
L’importance de l’eau s’étend au-delà du monde vivant, influençant la géologie et la météorologie de notre planète. Les océans, les rivières et les glaciers façonnent les paysages, érodent les roches et définissent les cycles climatiques. En somme, l’eau est un agent de transformation aussi bien biologique que géophysique.
L’eau et l’humanité : Utilisation et préservation
L’eau n’est pas seulement fondamentale pour la nature, mais elle est aussi cruciale pour l’humanité. Elle est indispensable dans de nombreux secteurs, y compris l’agriculture, l’industrie, et la santé. Pour l’agriculture, l’eau sert à irriguer les cultures, essentielles pour la production alimentaire. Dans l’industrie, elle est utilisée comme solvant, dans les processus de refroidissement, et même comme matière première. En matière de santé, l’accès à l’eau potable est primordial pour prévenir les maladies et promouvoir une hygiène adéquate.
Utilisation agricole : l’irrigation consomme environ 70% de l’eau douce disponible sur Terre.
Usage industriel : représente 20% de la consommation d’eau douce.
Consommation humaine et sanitaires : environ 10% des besoins en eau.
Cependant, l’accès à l’eau douce est inégalement réparti à travers le globe, et la gestion durable des ressources en eau est devenue une préoccupation majeure. La pollution, le changement climatique et la surexploitation des aquifères menacent la disponibilité de l’eau douce.
Défis contemporains et l’avenir de l’eau
Les défis liés à l’eau dans le contexte contemporain sont multiples. Le changement climatique, par exemple, provoque des sécheresses et des modifications des régimes de précipitations, affectant ainsi la disponibilité de l’eau. De plus, la pollution de l’eau par les activités industrielles, agricoles et domestiques détériore sa qualité, mettant en péril les écosystèmes et la santé humaine.
Lutte contre la pollution de l’eau.
Adaptation aux effets du changement climatique.
Gestion durable et équitable des ressources en eau.
Pour répondre à ces défis, des initiatives telles que le développement de technologies de purification, la mise en place de pratiques agricoles moins gourmandes en eau, et l’élaboration de politiques de gestion intégrée des ressources en eau sont cruciales. La coopération internationale et l’engagement communautaire sont également essentiels pour assurer un avenir où l’eau, cette ressource si précieuse, sera disponible pour tous.
Conclusion
En conclusion, H2O n’est pas juste une formule chimique, mais le fondement de la vie sur notre planète. L’eau est un élément central qui se situe au croisement de la biologie, de l’écologie, de l’industrie et de la société. Les défis actuels liés à l’eau nous obligent à repenser notre relation avec cette ressource vitale et à agir de manière durable pour préserver cet élément essentiel à notre survie. La protection de l’eau est donc une responsabilité collective, impliquant chaque individu, communauté, et nation. Ainsi, en prenant soin de l’eau, nous prenons soin de l’humanité et de la Terre tout entière.
La contamination radioactive désigne la présence de substances radioactives indésirables sur des surfaces ou dans des solides (y compris le corps humain), des liquides ou des gaz, lorsque leur présence est involontaire ou indésirable. Propriétés des matériaux
La contamination radioactive consiste en des matières radioactives qui génèrent des rayonnements ionisants. C’est la source du rayonnement, pas le rayonnement lui-même.
La contamination est généralement désignée comme la présence d’un constituant indésirable, d’une substance nocive ou d’une impureté dans un endroit (matériel, corps physique, environnement naturel, lieu de travail) où il n’est pas prévu ou souhaité de se trouver. La contamination a un sens beaucoup plus général, puisqu’elle peut être définie dans des disciplines telles que la chimie, la protection de l’environnement, la radioprotection ou l’agriculture.
La contamination radioactive désigne la présence de substances radioactives indésirables sur des surfaces ou dans des solides (y compris le corps humain), des liquides ou des gaz, lorsque leur présence est involontaire ou indésirable. La contamination radioactive consiste en des atomes radioactifs (matériaux) qui se sont échappés du système ou de la structure qui les contiendrait normalement. Étant donné que la contamination radioactive est une matière radioactive, un rayonnement ionisant est émis par la contamination. Il est très important de savoir quel matériau (quel radio-isotope) est le contaminant radioactif. Il est également très important de faire la distinction entre la contamination radioactive et le rayonnement lui-même.
Contamination contre rayonnement
La contamination radioactive consiste en des matières radioactives qui génèrent des rayonnements ionisants. C’est la source du rayonnement, pas le rayonnement lui-même. Chaque fois que des matières radioactives ne se trouvent pas dans un conteneur de source radioactive scellé et pourraient se répandre sur d’autres objets, une contamination radioactive est une possibilité. La contamination radioactive peut être caractérisée par les points suivants:
La contamination radioactive consiste en des matières radioactives (contaminants) qui peuvent être solides, liquides ou gazeuses. Les gros contaminants peuvent même être visibles, mais vous ne pouvez pas voir les radiations produites.
Lorsqu’ils sont libérés, les contaminants peuvent être propagés par l’air, l’eau ou simplement par contact mécanique.
Nous ne pouvons pas protéger la contamination.
Nous pouvons atténuer la contamination en protégeant l’intégrité des barrières (conteneur source, gaine de combustible, cuve du réacteur, bâtiment de confinement)
Étant donné que les contaminants interagissent chimiquement, ils peuvent être contenus dans des objets tels que le corps humain.
On peut se débarrasser de la contamination par de nombreux procédés mécaniques, chimiques (décontamination des surfaces), ou biologiques (demi-vie biologique).
Il est de la plus haute importance de savoir quel matériau est le contaminant radioactif (demi-vie , mode de désintégration, énergie).
Le rayonnement ionisant est formé de particules de haute énergie (photons, électrons, etc.) qui peuvent pénétrer la matière et ioniser (pour former des ions en perdant des électrons) les atomes cibles pour former des ions. L’exposition aux rayonnements est la conséquence de la présence à proximité de la source de rayonnement. L’exposition aux rayonnements en tant que quantité est définie comme une mesure de l’ionisation de la matière due aux rayonnements ionisants. Le danger des rayonnements ionisants réside dans le fait que le rayonnement est invisible et non directement détectable par les sens humains. Les gens ne peuvent ni voir ni sentir le rayonnement, mais il dépose de l’énergie sur les molécules du corps. L’énergie est transférée en petites quantités pour chaque interaction entre le rayonnement et une molécule et il existe généralement de nombreuses interactions de ce type. Contrairement à la contamination radioactive, le rayonnement peut être caractérisé par les points suivants:
Le rayonnement consiste en des particules à haute énergie qui peuvent pénétrer dans la matière et ioniser (pour former des ions en perdant des électrons) les atomes cibles. Le rayonnement est invisible et non directement détectable par les sens humains. Il faut noter que le rayonnement bêta est indirectement visible en raison du rayonnement cherenkov.
Contrairement à la contamination, le rayonnement ne peut être propagé par aucun milieu. Il voyage à travers les matériaux jusqu’à ce qu’il perde son énergie. Nous pouvons nous protéger des radiations (par exemple en nous tenant au coin de la rue).
L’exposition aux ionisants ne signifie pas nécessairement que l’objet devient radioactif (à l’exception des rayonnements neutroniques très rares).
Le rayonnement peut pénétrer les barrières, mais une barrière suffisamment épaisse peut minimiser tous les effets.
Contrairement aux contaminants, le rayonnement ne peut pas interagir chimiquement avec la matière et ne peut pas être lié à l’intérieur du corps.
Il n’est pas important de savoir quel matériau est la source de certains rayonnements. Seul le type de rayonnement et l’énergie comptent.
Il y a une caractéristique commune, le rayonnement naturel et les contaminants naturels sont tout autour de nous. Dans, autour et au-dessus du monde dans lequel nous vivons. C’est une force énergétique naturelle qui nous entoure. C’est une partie de notre monde naturel qui est là depuis la naissance de notre planète. Tous les êtres vivants, depuis la nuit des temps, ont été et sont encore exposés à des rayonnements ionisants. Le rayonnement de fond naturel est un rayonnement ionisant, qui provient de diverses sources naturelles. Tous les êtres vivants, depuis la nuit des temps, ont été et sont encore exposés à des rayonnements ionisants. Ce rayonnement n’est associé à aucune activité humaine. Il y a des isotopes radioactifs dans nos corps, nos maisons, l’air, l’eau et le sol. Nous sommes tous également exposés aux rayonnements de l’espace.
Types de contamination
Les matières radioactives peuvent exister sur des surfaces ou dans des volumes de matière ou d’air, et des techniques spécialisées sont utilisées pour mesurer les niveaux de contamination par détection du rayonnement émis. Nous pouvons distinguer les types de contamination suivants:
Contamination superficielle
La contamination de surface signifie que des matières radioactives ont été déposées sur des surfaces (telles que des murs, des sols). Il peut être déposé de manière lâche, un peu comme de la poussière ordinaire, ou il peut être assez solidement fixé par réaction chimique. Cette distinction est importante et nous classons la contamination de surface en fonction de la facilité avec laquelle elle peut être éliminée:
Contamination gratuite. En cas de contamination libre (ou de contamination lâche), la matière radioactive peut se répandre. Il s’agit d’une contamination de surface qui peut facilement être éliminée avec des méthodes de décontamination simples. Par exemple, si des particules de poussière contenant divers radio-isotopes atterrissent sur la peau ou les vêtements d’une personne, nous pouvons les nettoyer ou enlever les vêtements. Une fois qu’une personne a été décontaminée, toutes les sources de radioactivité particulaire sont éliminées et l’individu n’est plus contaminé. La contamination libre est également un danger plus grave que la contamination fixe, car les particules de poussière peuvent être en suspension dans l’air et être facilement ingérées. Cela conduit à une exposition interne par des contaminants radioactifs. Bien que presque tous les contaminants soient bêta radioactifs avec émission gamma, mais il existe également la possibilité d’une contamination alpha dans toutes les zones de manipulation de combustible nucléaire.
Contamination fixe. Dans le cas d’une contamination fixée, la matière radioactive ne peut pas être propagée, car elle est liée chimiquement ou mécaniquement aux structures. Il ne peut pas être enlevé par les méthodes de nettoyage normales. La contamination fixe est un danger moins grave que la contamination libre, elle ne peut pas être remise en suspension ou transférée sur la peau. Par conséquent, le danger est généralement externe uniquement. En revanche, cela dépend du niveau de contamination. Bien que presque tous les contaminants soient radioactifs bêta avec émission gamma qui l’ accompagne, mais il existe également un risque de contamination alpha dans toutes les zones de manutention du combustible nucléaire. À moins que le niveau de contamination ne soit très sévère, le débit de dose de rayonnement gamma sera faible et l’exposition externe ne sera significative qu’au contact ou très près des surfaces contaminées. Les particules bêta étant moins pénétrantes que les rayons gamma , le débit de dose bêta ne peut être élevé qu’au contact. Une valeur de 1 mSv/h au contact pour un niveau de contamination de 400 – 500 Bq/cm2 est assez représentative.
Calcul du débit de dose sous protection dans les sieverts à partir d'une surface contaminée
Supposons une surface contaminée par 1,0 Ci de 137Cs. Supposons que ce contaminant puisse être approximé par la source isotrope ponctuelle qui contient 1,0 Ci de 137Cs, qui a une demi-vie de 30,2 ans. Notez que la relation entre la demi-vie et la quantité d’un radionucléide nécessaire pour donner une activité d’ un curie est indiquée ci-dessous. Cette quantité de matière peut être calculée à l’aide de λ, qui est la constante de désintégration de certains nucléides:
Environ 94,6 % se désintègrent par émission bêta en un isomère nucléaire métastable du baryum: le baryum-137m. Le pic photonique principal du Ba-137m est de 662 keV. Pour ce calcul, supposons que toutes les désintégrations passent par ce canal.
Calculer le débit de dose de photons primaires, en sieverts par heure (Sv.h-1), à la surface extérieure d’un blindage en plomb de 5 cm d’épaisseur. Calculezensuite les débits de dose équivalent et efficace pour deux cas.
Supposons que ce champ de rayonnement externe pénètre uniformément dans tout le corps. Cela signifie: Calculer le débit de dose efficace au corps entier.
Supposons que ce champ de rayonnement externe ne pénètre que dans les poumons et que les autres organes soient complètement protégés. Cela signifie: Calculer le débit de dose efficace.
Notez que le débit de dose de photons primaires néglige toutes les particules secondaires. Supposons que la distance effective de la source au point de dose est de 10 cm. Nous supposerons également que le point de dose est un tissu mou et qu’il peut raisonnablement être simulé par l’eau et nous utilisons le coefficient d’absorption d’énergie massique pour l’eau.
Le débit de dose de photons primaires est atténué de manière exponentielle, et le débit de dose de photons primaires, compte tenu du bouclier, est donné par:
Comme on peut le voir, nous ne tenons pas compte de l’accumulation de rayonnement secondaire. Si des particules secondaires sont produites ou si le rayonnement primaire change d’énergie ou de direction, alors l’atténuation effective sera bien moindre. Cette hypothèse sous-estime généralement le débit de dose réel, en particulier pour les écrans épais et lorsque le point de dose est proche de la surface de l’écran, mais cette hypothèse simplifie tous les calculs. Dans ce cas, le débit de dose réel (avec l’accumulation de rayonnement secondaire) sera plus de deux fois supérieur.
Pour calculer le débit de dose absorbée , il faut utiliser dans la formule:
k = 5,76 x 10-7
S = 3,7 x 1010 s-1
E = 0,662 MeV
μ t /ρ = 0,0326 cm2 /g (les valeurs sont disponibles au NIST)
μ = 1,289 cm-1 (les valeurs sont disponibles au NIST)
D = 5cm
r = 10 cm
Résultat:
Le débit de dose absorbée résultant en grays par heure est alors:
1) Rayonnement uniforme
Étant donné que le facteur de pondération du rayonnement pour les rayons gamma est égal à un et que nous avons supposé le champ de rayonnement uniforme (le facteur de pondération des tissus est également égal à l’unité), nous pouvons calculer directement le débit de dose équivalent et le débit de dose effectif (E = HT) à partir du débit de dose absorbé comme:
2) Irradiation partielle
Dans ce cas, nous supposons une irradiation partielle des poumons uniquement. Ainsi, nous devons utiliser le facteur de pondération tissulaire, qui est égal à w T = 0,12. Le facteur de pondération du rayonnement pour les rayons gamma est égal à un. En conséquence, nous pouvons calculer le débit de dose efficace comme suit:
Notez que si une partie du corps (par exemple, les poumons) reçoit une dose de rayonnement, cela représente un risque d’effet particulièrement dommageable (par exemple, le cancer du poumon). Si la même dose est administrée à un autre organe, cela représente un facteur de risque différent.
Si nous voulons tenir compte de l’accumulation de rayonnement secondaire, nous devons inclure le facteur d’accumulation. La formule étendue du débit de dose est alors:
——–
Contamination aéroportée
Ce type de contamination revêt une importance particulière dans les centrales nucléaires, où elle doit être surveillée. Les contaminants peuvent être en suspension dans l’air, en particulier lors du retrait de la tête supérieure du réacteur, du rechargement du réacteur et lors des manipulations dans la piscine de combustible usé. L’air peut être contaminé par des isotopes radioactifs, en particulier sous forme de particules, ce qui présente un risque particulier d’inhalation. Cette contamination est constituée de divers produits de fission et d’activation qui pénètrent dans l’air sous forme gazeuse, vapeur ou particulaire. Il existe quatre types de contamination aéroportée dans les centrales nucléaires, à savoir:
Particules. L’activité particulaire est un danger interne, car elle peut être inhalée. Les matières particulaires transportables introduites dans le système respiratoire pénètrent dans la circulation sanguine et sont transportées dans toutes les parties du corps. Les particules non transportables resteront dans les poumons avec une certaine demi-vie biologique. Par exemple, Sr-90, Ra-226 et Pu-239 sont des radionucléides connus sous le nom de radionucléides ostéotropes. Ces radionucléides ont de longues demi-vies biologiques et constituent de graves dangers internes. Une fois déposés dans l’os, ils y restent essentiellement inchangés en quantité tout au long de la vie de l’individu. L’action continue des particules alpha émisespeuvent causer des blessures importantes: pendant de nombreuses années, ils déposent toute leur énergie dans un volume infime de tissu, car la portée des particules alpha est très courte.
Gaz nobles. Des gaz nobles radioactifs, tels que le xénon-133, le xénon-135 et le krypton-85 sont présents dans le caloporteur du réacteur, en particulier lorsque des fuites de combustible sont présentes. Lorsqu’ils apparaissent dans le liquide de refroidissement, ils deviennent aéroportés et peuvent être inhalés. Ils sont expirés juste après avoir été inhalés, car le corps ne réagit pas chimiquement avec eux. Si les travailleurs travaillent dans un nuage de gaz rares, la dose externe qu’ils recevront est environ 1000 fois supérieure à la dose interne. De ce fait, nous ne nous préoccupons que des débits de dose externe bêta et gamma.
L’iode radioactif. L’iode radioactif, l’ iode-131, est un radio-isotope important de l’iode. L’iode radioactif joue un rôle majeur en tant qu’isotope radioactif présent dans les produits de fission nucléaire, et il est un contributeur majeur aux risques pour la santé lorsqu’il est rejeté dans l’atmosphère lors d’un accident. L’iode-131 a une demi-vie de 8,02 jours. Le tissu cible de l’exposition à l’iode radioactif est la glande thyroïde. La dose externe bêta et gamma de l’iode radioactif présent dans l’air est assez négligeable par rapport à la dose engagée à la thyroïde qui résulterait de la respiration de cet air. La demi-vie biologiquepour l’iode à l’intérieur du corps humain est d’environ 80 jours (selon la CIPR). L’iode contenu dans les aliments est absorbé par l’organisme et préférentiellement concentré dans la thyroïde où il est nécessaire au fonctionnement de cette glande. Lorsque l’ 131I est présent à des niveaux élevés dans l’environnement à cause des retombées radioactives, il peut être absorbé par des aliments contaminés et s’accumulera également dans la thyroïde. 131I se désintègre avec une demi-vie de 8,02 jours avec des émissions de particules bêta et gamma. En se décomposant, il peut endommager la thyroïde. Le principal risque lié à l’exposition à des niveaux élevés d’ 131 I est la survenue fortuite d’un cancer radiogénique de la thyroïde plus tard dans la vie. Pour 131I, la CIPR a calculé que si vous inhalez 1 x 106 Bq, vous recevrez une dose thyroïdienne de HT = 400 mSv (et une dose corps entier pondérée de 20 mSv).
Tritium. Le tritium est un sous-produit des réacteurs nucléaires. La source la plus importante (due aux rejets d’eau tritiée) de tritium dans les centrales nucléaires provient de l’acide borique, qui est couramment utilisé comme cale chimiquepour compenser un excès de réactivité initiale. Notez que le tritium émet des particules bêta de faible énergie avec une courte portée dans les tissus corporels et, par conséquent, présente un risque pour la santé en raison d’une exposition interne uniquement après ingestion dans l’eau potable ou la nourriture, ou inhalation ou absorption par la peau. Le tritium introduit dans le corps est uniformément réparti entre tous les tissus mous. Selon la CIPR, une demi-vie biologique du tritium est de 10 jours pour le HTO et de 40 jours pour l’OBT (tritium organiquement lié) formé à partir du HTO dans le corps des adultes. Ainsi, pour un apport de 1 x 109 Bq de tritium (HTO), un individu recevra une dose corps entier de 20 mSv (égale à l’apport de 1 x 106 Bq de 131I). Si pour les REP le tritium présente un risque mineur pour la santé, pourréacteurs à eau lourde, il contribue de manière significative à la dose collective des travailleurs de la centrale. À noter que « l’air saturé d’eau du modérateur à 35 °C peut donner 3 000 mSv/h de tritium à un travailleur non protégé (Voir aussi : JUBurnham. Radioprotection). La meilleure protection contre le tritium peut être obtenue à l’aide d’un respirateur à adduction d’air. Les respirateurs à cartouche au tritium ne protègent les travailleurs que par un facteur de 3. La seule façon de réduire l’absorption cutanée est de porter du plastique. Dans les centrales PHWR, les travailleurs doivent porter des plastiques pour travailler dans des atmosphères contenant plus de 500 μSv/h.
Des respirateurs avec des filtres à air appropriés ou des combinaisons entièrement autonomes avec leur propre alimentation en air peuvent atténuer les dangers de la contamination en suspension dans l’air. La contamination atmosphérique est généralement mesurée par des instruments radiologiques spéciaux qui pompent en continu l’air échantillonné à travers un filtre. Les instruments qui font cela sont appelés moniteurs d’air continus (CAM). Les particules radioactives dans l’air s’accumulent sur le filtre, où l’activité est mesurée par un détecteur placé à proximité du filtre.
La décontamination est un processus utilisé pour réduire ou éliminer la contamination radioactive afin de réduire le risque d’exposition aux rayonnements. L’élimination de la contamination des zones occupées, de l’équipement et du personnel est importante pour maintenir une dose de rayonnement ionisant aussi faible que raisonnablement possible (ALARA). La décontamination réduit également les niveaux de rayonnement de fond, l’inventaire des matières radioactives et la propagation de la contamination dans les zones, l’équipement et le personnel non contrôlés.
La décontamination peut être accomplie en nettoyant ou en traitant les surfaces pour réduire ou éliminer la contamination. Cela peut également être accompli en filtrant l’air ou l’eau contaminés ou en recouvrant la contamination pour protéger ou absorber le rayonnement. Le processus peut également simplement laisser suffisamment de temps à la désintégration radioactive naturelle pour diminuer la radioactivité.
Dans les centrales nucléaires, il est inévitable que de nombreux équipements, mais aussi des outils, des vêtements, des zones de travail et même des personnes soient contaminés. Il est assez courant qu’une partie des matières radioactives se fixe sur des surfaces (par exemple la semelle d’une chaussure). Dans ce cas, les travailleurs sont surveillés en permanence et dans ce cas, la contamination de surface doit être éliminée. On peut se débarrasser de nombreuses contaminations mécaniques, chimiques (décontaminer les surfaces). Processus biologiques (demi-vie biologique) fonctionnent toujours en cas de contamination interne. Une personne devient « radioactive » si des particules de poussière contenant divers radio-isotopes atterrissent sur sa peau ou ses vêtements. Une fois qu’une personne a été décontaminée par déshabillage et lavage dermique, toutes les sources de radioactivité particulaire sont éliminées et l’individu n’est plus contaminé.
Techniques de décontamination
De manière générale, il existe de nombreuses techniques et équipements utilisés pour la décontamination des surfaces et des personnes. Dans tous les cas, le type de contamination et le matériel contaminé sont importants. Par exemple, il est très difficile de décontaminer des matériaux poreux. En guise d’orientation générale pour le lecteur, ces techniques de décontamination et leurs principales applications sont mises en évidence dans:
Référence spéciale: Technologie de pointe pour la décontamination et le démantèlement des installations nucléaires, AIEA. AIEA Vienne, 1999. ISBN 92–0–102499–1.
Décontamination chimique. La décontamination chimique est l’une des meilleures méthodes pour la plupart des opérations de décontamination consiste à nettoyer avec de l’eau à laquelle un ou plusieurs agents de nettoyage chimiques appropriés ont été ajoutés. Ces méthodes comprennent la décontamination à l’aide de solutions chimiques, de gels chimiques, de décontamination à la mousse, etc. L’élimination de la contamination du personnel doit être effectuée avec soin pour s’assurer que la peau n’est pas endommagée et pour empêcher la contamination de pénétrer dans le corps ou dans une plaie.
Décontamination mécanique. La décontamination mécanique peut être utilisée notamment pour la décontamination industrielle. Il existe des méthodes de décontamination dans lesquelles la couche externe de la surface contaminée est enlevée par la force physique. De telles méthodes sont efficaces, mais elles sont quelque peu grossières et destructrices, et il peut ne pas être possible de les utiliser sur des objets délicats. Ces méthodes comprennent la décontamination par nettoyage à la vapeur, le nettoyage abrasif, le sablage, le nettoyage par aspiration, le nettoyage par ultrasons, etc.
Stabin, Michael G., Radioprotection et dosimétrie : une introduction à la physique de la santé, Springer, 10/2010. ISBN-13 : 978-1441923912.
Martin, James E., Physics for Radiation Protection 3rd Edition, Wiley-VCH, 4/2013. ISBN-13 : 978-3527411764.
USNRC, CONCEPTS DE RÉACTEURS NUCLÉAIRES
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Physique nucléaire et des réacteurs:
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Glasstone, Sesonské. Ingénierie des réacteurs nucléaires : Ingénierie des systèmes de réacteurs, Springer ; 4e édition, 1994, ISBN : 978-0412985317
WSC Williams. Physique nucléaire et des particules. Presse Clarendon ; 1 édition, 1991, ISBN : 978-0198520467
GRKeep. Physique de la cinétique nucléaire. Pub Addison-Wesley. Co; 1ère édition, 1965
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Département américain de l’énergie, de la physique nucléaire et de la théorie des réacteurs. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 et 2. Janvier 1993.
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Voir également:
Protection contre les expositions
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Si la scission libère de l’énergie et que la fusion libère de l’énergie, alors où est le point de rupture? Pour comprendre ce problème, il est préférable de relier l’énergie de liaison à un nucléon, pour obtenir la courbe de liaison nucléaire. L’énergie de liaison par nucléon n’est pas linéaire. Il y a un pic dans la courbe d’énergie de liaison dans la région de stabilité près du fer et cela signifie que soit la rupture de noyaux plus lourds que le fer, soit la combinaison de noyaux plus légers que le fer produira de l’énergie.
La raison pour laquelle la tendance s’inverse après le pic de fer est la charge positive croissante des noyaux. La force électrique a une plus grande portée que la force nucléaire forte. Alors que la force nucléaire forte ne lie que des voisins proches, la force électrique de chaque proton repousse les autres protons.
Une liaison covalente est une liaison chimique formée par des électrons partagés. Une liaison métallique est une liaison chimique, dans laquelle les atomes ne partagent pas ou n’échangent pas d’électrons pour se lier.
Trois types différents de liaison primaire ou chimique se trouvent dans les solides. La force des liaisons chimiques varie considérablement; il existe des «liaisons primaires» ou des «liaisons fortes» telles que des liaisons ioniques, covalentes et métalliques, et des «liaisons faibles» ou «liaisons secondaires» telles que des interactions dipôle-dipôle, la force de dispersion de Londres et la liaison hydrogène.
Une liaison chimique est une attraction durable entre ces atomes, ions ou molécules qui permet la formation de composés chimiques. La liaison peut résulter de la force électrostatique d’attraction entre des ions chargés de manière opposée comme dans les liaisons ioniques ou par le partage d’électrons comme dans les liaisons covalentes. Par conséquent, la force électromagnétique joue un rôle majeur dans la détermination des propriétés internes de la plupart des objets rencontrés dans la vie quotidienne.
Liaisons intramoléculaires
Liaison ionique. Une liaison ionique est une liaison chimique, dans laquelle un ou plusieurs électrons sont entièrement transférés d’un atome d’un élément à l’atome de l’autre, et les éléments sont maintenus ensemble par la force d’attraction due à la polarité opposée de la charge. Ce type de liaison chimique est typique entre les éléments avec une grande différence d’électronégativité.
Liaison covalente. Une liaison covalente est une liaison chimique formée par des électrons partagés. Les électrons de Valence sont partagés lorsqu’un atome a besoin d’électrons pour compléter sa coque externe et peut partager ces électrons avec son voisin. Les électrons font alors partie des deux atomes et les deux coquilles sont remplies.
Liaison métallique. Une liaison métallique est une liaison chimique, dans laquelle les atomes ne partagent pas ou n’échangent pas d’électrons pour se lier. Au lieu de cela, de nombreux électrons (environ un pour chaque atome) sont plus ou moins libres de se déplacer dans le métal, de sorte que chaque électron peut interagir avec de nombreux atomes fixes.
Une liaison covalente
Une liaison covalente est une liaison chimique formée par des électrons partagés. Les électrons de Valence sont partagés lorsqu’un atome a besoin d’électrons pour compléter sa coque externe et peut partager ces électrons avec son voisin. Les électrons font alors partie des deux atomes et les deux coquilles sont remplies. Ces paires d’électrons sont appelées paires partagées ou paires de liaison, et l’équilibre stable des forces attractives et répulsives entre les atomes, lorsqu’ils partagent des électrons, est appelé liaison covalente.
Le type le plus simple et le plus courant est une liaison simple dans laquelle deux atomes partagent deux électrons. D’autres types comprennent la double liaison (par exemple H2C = CH2), la triple liaison, les liaisons à un et trois électrons, la liaison à deux électrons à trois centres et la liaison à quatre électrons à trois centres.
La covalence est la plus grande entre des atomes d’ électronégativités similaires . Ainsi, la liaison covalente n’exige pas nécessairement que les deux atomes soient des mêmes éléments, seulement qu’ils soient d’ électronégativité comparable (c’est-à-dire des éléments proches les uns des autres dans le tableau périodique). Il n’y a pas de valeur précise qui distingue la liaison ionique de la liaison covalente, mais une différence d’électronégativité supérieure à 1,7 est susceptible d’être ionique tandis qu’une différence inférieure à 1,7 est susceptible d’être covalente.
Lien métallique
Une liaison métallique est une liaison chimique, dans laquelle les atomes ne partagent pas ou n’échangent pas d’électrons pour se lier. Au lieu de cela, de nombreux électrons (environ un pour chaque atome) sont plus ou moins libres de se déplacer dans le métal, de sorte que chaque électron peut interagir avec de nombreux atomes fixes. Les électrons libres protègent les noyaux ioniques chargés positivement des forces électrostatiques mutuellement répulsives qu’ils exerceraient autrement les uns sur les autres; par conséquent, la liaison métallique est de caractère non directionnel. La liaison métallique se trouve dans les métaux et leurs alliages. Le libre mouvement ou la délocalisation des électrons de liaison conduit à des propriétés métalliques classiques telles que le lustre (réflectivité de la lumière de surface), la conductivité électrique et thermique, la ductilité et la résistance à la traction élevée.
Le métal est un matériau (généralement solide) comprenant un ou plusieurs éléments métalliques (par exemple, le fer, l’aluminium, le cuivre, le chrome, le titane, l’or, le nickel), et souvent aussi des éléments non métalliques (par exemple, le carbone, l’azote, l’oxygène) en quantités relativement faibles . La particularité des métaux en ce qui concerne leur structure est la présence de porteurs de charge, en particulier d’ électrons. Cette caractéristique est donnée par la nature de la liaison métallique. Les conductivités électriques et thermiques des métaux proviennent du fait que leurs électrons externes sont délocalisés.
References :
Science des matériaux:
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Voir au dessus:
Liaison chimique
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Certaines des propriétés des solides cristallins dépendent de la structure cristalline du matériau, de la manière dont les atomes, les ions ou les molécules sont disposés dans l’espace.
En général, les solides se caractérisent par une rigidité structurelle et une résistance aux changements de forme ou de volume. Contrairement à un liquide, un objet solide ne s’écoule pas pour prendre la forme de son récipient, ni ne se dilate pour remplir tout le volume dont il dispose comme le fait un gaz. Les solides ont de plus grandes attractions interatomiques que les liquides et les gaz. Cependant, il existe de grandes variations dans les propriétés des matériaux solides utilisés à des fins d’ingénierie. Les propriétés des matériaux dépendent de leurs liaisons interatomiques. Ces mêmes liaisons dictent également l’espace entre la configuration des atomes dans les solides. Tous les solides peuvent être classés comme:
Solides amorphes. Les matériaux amorphes, ou solides non cristallins, n’ont pas d’arrangement régulier de leurs molécules et n’ont pas l’ordre à longue distance caractéristique des solides cristallins. Les matériaux amorphes ont les propriétés des solides, ils se caractérisent également par une rigidité structurelle et une résistance aux changements de forme ou de volume. Ils ont une forme et un volume définis et se diffusent lentement. Les matériaux comme le verre et la paraffine sont considérés comme amorphes. Ces matériaux manquent également de points de fusion bien définis. À bien des égards, ils ressemblent à des liquides qui s’écoulent très lentement à température ambiante.
Solides cristallins. Les atomes d’un solide cristallin sont étroitement liés les uns aux autres, soit dans un réseau géométrique régulier (solides cristallins, qui comprennent les métaux et la glace ordinaire).
Cristal de pyrite maclée
Un matériau cristallin est un matériau dans lequel les atomes sont situés dans un réseau répétitif ou périodique sur de grandes distances atomiques, c’est-à-dire qu’il existe un ordre à longue portée, tel que lors de la solidification, les atomes se positionneront dans un motif tridimensionnel répétitif, en où chaque atome est lié à ses atomes voisins les plus proches. Tous les solides ne sont pas des monocristaux. Par exemple, lorsque l’eau liquide commence à geler, le changement de phase commence par de petits cristaux de glace qui se développent jusqu’à fusionner, formant une structure polycristalline. Dans le bloc de glace final, chacun des petits cristaux (appelés « grains« ) est un vrai cristal avec un arrangement périodique d’atomes, mais l’ensemble du polycristal n’a pas d’arrangement périodique d’atomes, car le motif périodique est brisé aujoints de grains.
Treillis de cristal
Certaines des propriétés des solides cristallins dépendent de la structure cristalline du matériau, de la manière dont les atomes, les ions ou les molécules sont disposés dans l’espace. Un réseau cristallin est un motif répétitif de points mathématiques qui s’étend dans tout l’espace. Les forces de la liaison chimique provoquent cette répétition. C’est ce motif répété qui contrôle les propriétés telles que la résistance, la ductilité, la densité, la conductivité (propriété de conduire ou de transmettre la chaleur, l’électricité, etc.) et la forme . Il existe 14 types généraux de tels motifs connus sous le nom de réseaux de Bravais.
Trois structures cristallines relativement simples se retrouvent pour la plupart des métaux courants:
Source: Département américain de l’énergie, Science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 et 2. Janvier 1993.
Cubique centré sur le corps – bcc. Dans un arrangement d’atomes bcc (BCC), la cellule unitaire se compose de huit atomes aux coins d’un cube et d’un atome au centre du corps du cube. Dans un arrangement bcc, une cellule unitaire contient (8 atomes de coin × ⅛) + (1 atome central × 1) = 2 atomes. Le garnissage est plus efficace (68%) que le simple cubique et la structure est courante pour les métaux alcalins et les métaux de transition précoce. Les métaux contenant des structures BCC comprennent la ferrite, le chrome, le vanadium, le molybdène et le tungstène. Ces métaux possèdent une résistance élevée et une faible ductilité.
Cubique à faces centrées – fcc. Dans un arrangement d’atomes fcc (FCC), la cellule unitaire se compose de huit atomes aux coins d’un cube et d’un atome au centre de chacune des faces du cube. Dans un arrangement fcc, une cellule unitaire contient (8 atomes de coin × ⅛) + (6 atomes de face × ½) = 4 atomes. Cette structure, avec son parent hexagonal (hcp), a le garnissage le plus efficace (74%). Les métaux contenant des structures FCC comprennent l’austénite, l’aluminium, le cuivre, le plomb, l’argent, l’or, le nickel, le platine et le thorium. Ces métaux possèdent une faible résistance et une ductilité élevée.
Hexagonal Compact – hcp. Dans un arrangement d’atomes hcp (HCP), la cellule unitaire est constituée de trois couches d’atomes. Les couches supérieure et inférieure contiennent six atomes aux coins d’un hexagone et un atome au centre de chaque hexagone. La couche intermédiaire contient trois atomes nichés entre les atomes des couches supérieure et inférieure, d’où le nom de compact. Hexagonal Close Packed (hcp) est l’un des deux types simples de garnissage atomique avec la densité la plus élevée, l’autre étant le cubique à faces centrées (fcc). Cependant, contrairement au fcc, ce n’est pas un réseau de Bravais car il existe deux ensembles non équivalents de points de réseau. Les métaux contenant des structures HCP comprennent le béryllium, le magnésium, le zinc, le cadmium, le cobalt, le thallium et le zirconium. Les métaux HCP ne sont pas aussi ductiles que les métaux FCC.
Facteur de tassement atomique – APF
En cristallographie, le facteur de garnissage atomique (APF), l’efficacité de garnissage ou la fraction de garnissage est la somme des volumes de sphère de tous les atomes dans une cellule unitaire (en supposant le modèle de sphère dure atomique) divisé par le volume de la cellule unitaire.
Par convention, l’APF est déterminé en supposant que les atomes sont des sphères rigides. Le rayon des sphères est pris comme étant la valeur maximale telle que les atomes ne se chevauchent pas. En science des matériaux, le facteur de garnissage atomique d’une cellule unitaire explique de nombreuses propriétés des matériaux. Par exemple, les métaux avec un facteur de tassement atomique élevé auront une malléabilité ou une ductilité plus élevée, similaire à la façon dont une route est plus lisse lorsque les pierres sont plus proches les unes des autres, permettant aux atomes métalliques de glisser plus facilement les uns sur les autres.
Par exemple, dans un arrangement fcc, une cellule unitaire contient (8 atomes de coin × ⅛) + (6 atomes de face × ½) = 4 atomes. Cette structure, avec son parent hexagonal (hcp), a le garnissage le plus efficace (74%).
Structure des grains et limites des grains
Grains et limites Source: Département américain de l’énergie, Science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 et 2. Janvier 1993.
Tous les solides ne sont pas des monocristaux (par exemple, les semi- conducteurs de silicium). La plupart des solides cristallins sont composés d’un ensemble de nombreux petits cristaux ou grains de taille et d’orientation variables. Ceux-ci ont des orientations cristallographiques aléatoires. Lorsqu’un métal commence par cristalliser, le changement de phase commence par de petits cristaux qui se développent jusqu’à fusionner, formant une structure polycristalline. Dans le bloc final de matériau solide, chacun des petits cristaux (appelés « grains« ) est un vrai cristal avec un arrangement périodique d’atomes, mais l’ensemble du polycristal n’a pas d’arrangement périodique d’atomes, car le motif périodique est rompu à les joints de grains. Les grains et les joints de grains aident à déterminer les propriétés d’un matériau.
Les grains, aussi appelés cristallites, sont des cristaux petits voire microscopiques qui se forment par exemple lors du refroidissement de nombreux matériaux (cristallisation). Une caractéristique très importante d’un métal est la taille moyenne du grain. La taille du grain détermine les propriétés du métal. Par exemple, une taille de grain plus petite augmente la résistance à la traction et tend à augmenter la ductilité. Une taille de grain plus grande est préférée pour améliorer les propriétés de fluage à haute température. Le fluage est la déformation permanente qui augmente avec le temps sous une charge ou une contrainte constante. Le fluage devient progressivement plus facile avec l’augmentation de la température.
Limites de grains. La limite de grain fait référence à la zone extérieure d’un grain qui le sépare des autres grains. Les joints de grains séparent des régions cristallines diversement orientées (polycristallines) dans lesquelles les structures cristallines sont identiques. Les joints de grains sont des défauts 2D dans la structure cristalline et ont tendance à diminuer la conductivité électrique et thermique du matériau. La plupart des joints de grains sont des sites privilégiés pour l’apparition de la corrosion et pour la précipitation de nouvelles phases à partir du solide. Ils sont également importants pour de nombreux mécanismes de fluage. D’autre part, les joints de grains perturbent le mouvement des dislocations à travers un matériau. La propagation des dislocations est entravée en raison du champ de contraintes de la région du défaut aux joints de grains et du manque de plans et de directions de glissement et d’alignement global à travers les joints. Par conséquent, la réduction de la taille des cristallites est un moyen courant d’améliorer la résistance mécanique, car les grains plus petits créent plus d’obstacles par unité de surface du plan de glissement.
Orientation des grains
Orientation du grain (A) Aléatoire (B) Préférée Source: US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 et 2. Janvier 1993.
L’ orientation des cristallites peut être aléatoire sans direction préférée, appelée texture aléatoire, ou préférée, éventuellement en raison des conditions de croissance et de traitement. Une orientation aléatoire peut être obtenue par laminage croisé du matériau. Si un tel échantillon était suffisamment laminé dans une direction, il pourrait développer une structure à grains orientés dans la direction de laminage. C’est ce qu’on appelle l’orientation préférée. Dans de nombreux cas, l’orientation préférée est très souhaitable, mais dans d’autres cas, elle peut être très nocive. Par exemple, l’orientation préférée des éléments combustibles à l’uranium peut entraîner des changements catastrophiques de dimensions pendant l’utilisation dans un réacteur nucléaire.
Référence spéciale: US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 et 2. Janvier 1993.
Polymorphisme et allotropie
Dans la figure, il y a le diagramme de phase fer-carbure de fer (Fe-Fe3C). Le pourcentage de carbone présent et la température définissent la phase de l’alliage fer-carbone et donc ses caractéristiques physiques et ses propriétés mécaniques. Le pourcentage de carbone détermine le type d’alliage ferreux : fer, acier ou fonte. Source: wikipedia.org Läpple, Volker – Wärmebehandlung des Stahls Grundlagen. Licence: CC BY-SA 4.0
Certains matériaux cristallins peuvent avoir plus d’une structure cristalline , un phénomène connu sous le nom de polymorphisme . Le polymorphisme est l’apparition de plusieurs formes cristallines d’un matériau. Selon les règles d’équilibre des phases de Gibbs, ces phases cristallines uniques dépendent de variables intensives telles que la thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-pressure-physics/ »>pression et la température. Le polymorphisme est lié à l’ allotropie, qui fait référence aux éléments chimiques. Cela signifie que le polymorphisme est le terme le plus général utilisé pour tout matériau cristallin, y compris les alliages et les éléments chimiques. Chaque polymorphe est en fait un état solide thermodynamique différent et les polymorphes cristallins du même composé présentent des propriétés physiques différentes, telles que la vitesse de dissolution, la forme (angles entre les facettes et taux de croissance des facettes), le point de fusion, etc. Pour cette raison, le polymorphisme est de importance majeure dans la fabrication industrielle des produits cristallins.
Un exemple familier se trouve dans le carbone. Le graphite (un solide mou, noir et floconneux, un conducteur électrique modéré) est le polymorphe stable dans les conditions ambiantes, tandis que le diamant (un cristal extrêmement dur et transparent, avec les atomes de carbone disposés dans un réseau tétraédrique. Un mauvais conducteur électrique. Un excellent conducteur thermique.) se forme à des pressions extrêmement élevées.
De plus, le fer pur a une structure cristalline BCC à température ambiante, qui se transforme en fer FCC à 913 °C. Le zirconium est HCP (alpha) jusqu’à 863°C, où il se transforme en forme BCC (bêta, zirconium). Le problème est que ces transitions de phase rendent ce matériau très cassant.
Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 et 2. Janvier 1993.
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En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
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Voir au dessus:
Science des matériaux
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Dans un arrangement d’atomes cubiques centrés sur le corps (bcc), la cellule unitaire se compose de huit atomes aux coins d’un cube et d’un atome au centre du corps du cube. Dans un arrangement bcc, une cellule unitaire contient (8 atomes de coin × ⅛) + (1 atome central × 1) = 2 atomes.
Source: Département américain de l’énergie, Science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 et 2. Janvier 1993.
Certaines des propriétés des solides cristallins dépendent de la structure cristalline du matériau, de la manière dont les atomes, les ions ou les molécules sont disposés dans l’espace. Un réseau cristallin est un motif répétitif de points mathématiques qui s’étend dans tout l’espace. Les forces de la liaison chimique provoquent cette répétition. C’est ce motif répété qui contrôle les propriétés telles que la résistance, la ductilité, la densité, la conductivité (propriété de conduire ou de transmettre la chaleur, l’électricité, etc.) et la forme. Il existe 14 types généraux de ces modèles connus sous le nom de réseaux de Bravais. Trois structures cristallines relativement simples se trouvent pour la plupart des métaux courants.
Cubique centré sur le corps
Dans un arrangement d’atomes cubique centré sur le corps (bcc), la cellule unitaire se compose de huit atomes aux coins d’un cube et d’un atome au centre du corps du cube. Dans un arrangement bcc, une cellule unitaire contient (8 atomes de coin × ⅛) + (1 atome central × 1) = 2 atomes. Le garnissage est plus efficace (68%) que le simple cubique et la structure est courante pour les métaux alcalins et les métaux de transition précoce. Les métaux contenant des structures BCC comprennent la ferrite, le chrome, le vanadium, le molybdène et le tungstène. Ces métaux possèdent une résistance élevée et une faible ductilité.
References :
Science des matériaux:
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Voir au dessus:
Structure cristalline
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La série de l’actinium, également connue sous le nom de cascade d’actinium, est l’une des trois séries radioactives classiques commençant par l’uranium-235 d’origine naturelle. Propriétés des matériaux
La série de l’actinium, également connue sous le nom de cascade d’actinium, est l’une des trois séries radioactives classiques commençant par l’ uranium-235 d’origine naturelle . Cette chaîne de désintégration radioactive est constituée de noyaux atomiques lourds instables qui se désintègrent par une séquence de désintégrations alpha et bêta jusqu’à l’obtention d’un noyau stable. Dans le cas de la série actinium, le noyau stable est le plomb-207.
Étant donné que la désintégration alpha représente la désintégration d’un noyau parent en un noyau fille par l’émission du noyau d’un atome d’hélium (qui contient quatre nucléons), il n’y a que quatre séries de désintégration. Dans chaque série, par conséquent, le nombre de masse des membres peut être exprimé comme quatre fois un nombre entier approprié (n) plus la constante pour cette série. En conséquence, la série de l’actinium est connue sous le nom de série 4n+3.
L’énergie totale libérée de l’uranium 235 au plomb 207, y compris l’énergie perdue par les neutrinos, est de 46,4 MeV.
Activité des échantillons naturels – Série Actinium
La cascade d’ actinium influence la radioactivité ( désintégrations par seconde) des échantillons naturels et des matériaux naturels, bien que, dans ce cas, l’activité des échantillons naturels soit déterminée principalement par l’uranium-238. L’uranium-235, qui constitue à lui seul 0,72% de l’uranium naturel a une demi-vie de 7,04×108 ans ( 6,5 fois plus courte que l’ isotope 238) et donc son abondance est inférieure à 238U(99,28%). Tous les descendants de l’uranium 235 et de l’uranium 238 sont présents, au moins de manière transitoire, dans tout échantillon contenant de l’uranium naturel, qu’il soit métallique, composé ou minéral. Par exemple, l’uranium 238 pur est faiblement radioactif (proportionnellement à sa longue demi-vie), mais un minerai d’uranium est environ 13 fois plus radioactif que l’uranium 238 pur en raison de ses isotopes descendants (par exemple radon, radium, etc.) il contient. Non seulement les isotopes instables du radium sont d’importants émetteurs de radioactivité, mais en tant qu’étape suivante de la chaîne de désintégration, ils génèrent également du radon, un gaz radioactif lourd, inerte et naturel. De plus, la chaleur de désintégration de l’uranium et de ses produits de désintégration (par exemple le radon, le radium, etc.) contribue au réchauffement du noyau terrestre.
Types de désintégration dans la série Actinium
Au sein de chaque série radioactive, il existe deux principaux modes de désintégration radioactive:
Désintégration alpha. La désintégration alpha représente la désintégration d’un noyau parent en un noyau fille par l’émission du noyau d’un atome d’hélium. Les particules alpha sont constituées de deux protons et de deux neutrons liés ensemble en une particule identique à un noyau d’hélium. Du fait de sa très grande masse (plus de 7000 fois la masse de la particule bêta) et de sa charge, elle ionise la matière lourde et a une portée très courte.
Désintégration bêta. La désintégration bêta ou la désintégration β représente la désintégration d’un noyau parent en un noyau fille par l’émission de la particule bêta. Les particules bêta sont des électrons ou des positrons 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.
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Voir également:
Série radioactive
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La série de l’uranium, également connue sous le nom de série du radium, est l’une des trois séries ou cascades radioactives classiques commençant par l’uranium-238 d’origine naturelle. Propriétés des matériaux
La série de l’uranium, également connue sous le nom de série du radium, est l’une des trois séries radioactives classiques commençant par l’ uranium-238 d’origine naturelle. Cette chaîne de désintégration radioactive est constituée de noyaux atomiques lourds instables qui se désintègrent par une séquence de désintégrations alpha et bêta jusqu’à l’obtention d’un noyau stable. Dans le cas de la série de l’uranium, le noyau stable est le plomb-206.
Étant donné que la désintégration alpha représente la désintégration d’un noyau parent en un noyau fille par l’émission du noyau d’un atome d’hélium (qui contient quatre nucléons), il n’y a que quatre séries de désintégration. Dans chaque série, par conséquent, le nombre de masse des membres peut être exprimé comme quatre fois un nombre entier approprié (n) plus la constante pour cette série. En conséquence, la série de l’uranium est connue sous le nom de série 4n+2.
L’ thermodynamics/what-is-energy-physics/ »>énergie totale libérée de l’uranium-238 au plomb-206, y compris l’énergie perdue par les neutrinos, est de 51,7 MeV.
Série Uranium et Uranium-234
L’isotope de l’uranium 234 fait partie de cette série. Cet isotope a une demi-vie de seulement 2,46×105 ans et n’appartient donc pas aux nucléides primordiaux (contrairement à 235U et 238U ). D’autre part, cet isotope est toujours présent dans la croûte terrestre, mais cela est dû au fait que 234U est un produit de désintégration indirecte de 238U . 238U se désintègre par désintégration alpha en 234U. 234U se désintègre par désintégration alpha en 230Th, à l’exception d’une très petite fraction (de l’ordre du ppm) de noyaux qui se désintègre par fission spontanée.
Dans un échantillon naturel d’uranium, ces noyaux sont présents dans les proportions inaltérables de l’ équilibre radioactif de la filiation 238U à raison d’un atome de 234U pour environ 18 500 noyaux de 238U. Du fait de cet équilibre ces deux les isotopes ( 238U et 234U) contribuent à parts égales à la radioactivité de l’uranium naturel.
Activité des échantillons naturels – Série Uranium
La cascade d’ uranium influence significativement la radioactivité (désintégrations par seconde) d’échantillons naturels et de matériaux naturels. Tous les descendants sont présents, au moins transitoirement, dans tout échantillon contenant de l’uranium naturel, qu’il soit métallique, composé ou minéral. Par exemple, l’uranium 238 pur est faiblement radioactif (proportionnellement à sa longue demi-vie), mais un minerai d’uranium est environ 13 fois plus radioactif que l’uranium 238 pur en raison de ses isotopes descendants (par exemple radon, radium, etc.) il contient. Non seulement les isotopes instables du radium sont d’importants émetteurs de radioactivité, mais en tant qu’étape suivante de la chaîne de désintégration, ils génèrent également du radon, un gaz radioactif lourd, inerte et naturel. De plus, la chaleur de désintégration de l’uranium et de ses produits de désintégration (par exemple le radon, le radium, etc.) contribue au réchauffement du noyau terrestre.
Types de désintégration dans les séries d’uranium
Au sein de chaque série radioactive, il existe deux principaux modes de désintégration radioactive:
Désintégration alpha. La désintégration alpha représente la désintégration d’un noyau parent en un noyau fille par l’émission du noyau d’un atome d’hélium. Les particules alpha sont constituées de deux protons et de deux neutrons liés ensemble en une particule identique à un noyau d’hélium. Du fait de sa très grande masse (plus de 7000 fois la masse de la particule bêta) et de sa charge, elle ionise la matière lourde et a une portée très courte.
Désintégration bêta. La désintégration bêta ou la désintégration β représente la désintégration d’un noyau parent en un noyau fille par l’émission de la particule bêta. Les particules bêta sont des électrons ou des positrons 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.
Stabin, Michael G., Radioprotection et dosimétrie : une introduction à la physique de la santé, Springer, 10/2010. ISBN-13 : 978-1441923912.
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WSC Williams. Physique nucléaire et des particules. Presse Clarendon ; 1 édition, 1991, ISBN : 978-0198520467
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Robert Reed Burn, Introduction au fonctionnement des réacteurs nucléaires, 1988.
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Paul Reuss, Physique des neutrons. EDP Sciences, 2008. ISBN : 978-2759800414.
Voir également:
Série radioactive
Nous espérons que cet article, Série Uranium, vous aidera. Si oui, donnez-nous un like dans la barre latérale. L’objectif principal de ce site Web est d’aider le public à apprendre des informations intéressantes et importantes sur les matériaux et leurs propriétés.
