Les applications industrielles de la physique nucléaire

101 Pages·2011·13.82 MB·French

Université de Marne la Vallée
Physique atomique et nucléaire
Applications Industrielles
J. Ruste
EDF Recherches et Développement
Département Matériaux et Mécanique des Composants
Les Renardières
77 Moret sur Loing 1
Les applications de la physique nucléaire
Base des grandes théories
physiques
•naissance, vie et mort des étoiles
Applications
•naissance de l’Univers (« big-bang »)
industrielles
•structure de l’univers (modèle standard)
•physique des hautes énergies…
Energie nucléaire
Médicales
•scintigraphie (I131)
•« bombe au Co60 » Techniques
Militaires
•RMN et l’IRM
•laser
•TEP
•rayons X •armes nucléaires
•irradiation
(agroalimentaire)
Propulsion
Production d’électricité
•navale
•spatiale
réacteurs électronucléaires
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I – Les applications médicales :
- l’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM)
- l’imagerie par Tomographie par Émission de Positons (TEP)
II – La neutronique et la fission nucléaire
III – Applications de la fission : Les centrales électronucléaires
IV – L’avenir : les réacteurs nucléaires de la génération IV
V – La propulsion nucléaire
VI– La fusion thermonucléaire
VII – Les armes nucléaires
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I – Les applications médicales
Ia - L’imagerie par résonance magnétique nucléaire (RMN et IRM)
technique d’absorption résonante d’une onde radiofréquence par les noyaux atomiques
exposés à un champ magnétique externe
applications :
- imagerie médicale (IRM Imagerie de résonance magnétique)
- analyse structurales moléculaires en chimie organique
La RMN : découverte par Isidor Rabi en 1938, Felix Bloch et Edward Purcell en 1948
L’IRM a été utilisée pour la 1ère fois en 1973 et appliquée à l’homme en 1979
Principe
Les différents moments cinétiques
électronique et nucléaire
engendrent chacun un moment
magnétique au niveau de l’atome
4
Le moment magnétique nucléaire :
associé au spin nucléaire
les nucléons possèdent un spin avec 2 orientations possibles : ±½
(notée traditionnellemenat aaa etb bb b )
j =-1/2
les protons et les neutrons se regroupent
par paires de spin opposé
Pour un noyau, le moment résultant dépend des nucléons
célibataires :
j =+1/2
h
= J(J+1)
a (aaa ) b (bbb ) p
2
∑∑
=
les protons et les neutrons occupent J j
i
ddeess «« oorrbbiittaalleess »» nnuuccllééaaiirreess ssééppaarrééeess
(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)
- si p paire et n paire J=0
A
p=Z (cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)
- si p paire et n impaire J=1/2
X
Z n=A-Z - si p impaire et n paire (cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1) J=1/2
(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)
- si p impaire et n impaire J=1
Comme pour les électrons, on peut trouver des nucléons célibataires sur plusieurs
niveaux d’énergie et J peut être supérieur à 1
moment cinétique JJJJ moment magnétique µ 5
Les moments cinétiques sont quantifiés
a aaa b bbb
1) En l’absence de champ magnétique externe, les spins et sont en nombre
identique et les moments magnétiques internes sont orientés de manière quelconque
2) si on applique un champ magnétique extérieur :
- il y a levée de dégénérescence des différents niveaux énergétiques liés
au moment magnétique nucléaire
- les moments nucléaires s’alignent sur la champ magnétique externe, soit
a aaa b bbb
parallèlement pour , en opposition pour
nature du noyau
iinntteennssiittéé dduu
ccaass dduu pprroottoonn
m =-1/2
champ magnétique
J
b
appliqué
e
gi D DDD E D E = g hB = hw
r
e 0 0
n
é
m =+1/2
J
a w g
B
B=0 fréquence n = 0 = 0
0 p p
de Larmor 2 2
B=B
0
D DDD
La différence d’énergie E est proportionnelle au champ magnétique appliqué6
Application d’un champ électrique radiofréquence
Si on applique une onde électromagnétique de fréquence égale à la fréquence de
a aaa
Larmor, il y a résonance c’est à dire absorption avec déplacement du niveau
b bbb
vers le niveau : transfert de population
m =-1/2 m =-1/2
J J
b b
n D
h = E
w g B m =+1/2 m =+1/2
n = 0 = 0 J a J a
0 p p
2 2
B=B B=B
0 0
La fréquence de résonance dépend de la nature du noyau :
B =9,4 T B =1,4 T
0 0
1H 400 MHz 60 MHz
19F 376 MHz 56 MHz
fréquence de
31P 162 MHz 24 MHz
résonance
13C 100,6 MHz 15 MHz
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23Na 105,8 MHz 16 MHz
L’action du champ induit z
par le rayonnement de
M
radiofréquence fait pivoter 0
le moment magnétique a
a aaa
d’un angle (« flip angle »)
qui dépend de l’intensité B
0
du rayonnement radiofréquence
M
0
y
généralement on fait pivoter de
p ppp
90°(impulsion /2) ou de 180°
B
p ppp 1
(impulsion ). x B
1
bb
Le moment magnétique est en
précession autour de l’axe M
0
incliné de l’anglea aaa 8
Spectrométrie par résonance magnétique nucléaire
générateur amplificateur
détecteur
radio-fréquence radio-fréquence
bobine
électro-aimant IRM
réceptrice
amplificateur
enregistreur
synchrone
électro-aimant
supra-conducteur
bobine de Helmholtz
bobine
(balayage rapide oscilloscope
émettrice
du champ)
unité de
balayage
de champ
Le champ radiofréquence est perpendiculaire
au champ magnétique
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RMN
RMN à onde continue RMN à onde pulsée
•étude des propriétés magnétique du noyau Imagerie de résonance magnétique (IRM)
•analyses en chimie moléculaire
1) RMN à onde continue
2 techniques :
- on maintient le champ magnétique constant et on fait varier la fréquence
- on maintient la fréquence constante et on fait varier le champ magnétique
GGéénnéérraalleemmeenntt oonn pprrééffèèrree llaa sseeccoonnddee ssoolluuttiioonn ppoouurr ddeess ffaacciilliittééss tteecchhnniiqquueess
Dans les 2 cas on recherche des conditions d’absorption résonnante (signalée
par une forte absorption d’énergie)
effet d’écran lié à la
liaison chimique
(effet d’environnement)
B
La fréquence de Larmor : n = g 0 (1- s )
0 p
2
nature du noyau
(élément chimique)
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