Propriétés de l'eau (8/8)
Eau lourde

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Vocabulaire utilisé 

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 et ses isotopes

Eau Lourde : Hydrogène remplacé par du Deutérium

Présentation de l'eau lourde

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.

Fabrication de l'eau lourde

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.

Utilisation en centrale nucléaire

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.

Réaction avec les neutrinos solaires

Présentation du neutrino

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.

Réaction d'un neutrino avec 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.

Réaction de fusion du deutérium

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.

Pour en savoir plus...

- 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...