Éd. 1971-1976

rayonnement thermique (suite)

Rayonnement des corps non noirs

Il obéit à la loi de Kirchhoff* ,

le rapport de la luminance énergétique l_λ du corps non noir à son facteur d’absorption α_λ est égal à la luminance énergétique du corps noir pour la même longueur d’onde et la même température. Cette loi entraîne de nombreuses conséquences ; en particulier, le rayonnement d’un corps non noir est inférieur à celui du corps noir à la même température. Pour certains corps, que l’on appelle gris (graphite), α_λ est pratiquement indépendant de λ et la courbe de répartition spectrale est de même forme que celle du corps noir. Il en est à peu près de même pour le tungstène, avec, cependant, un décalage du maximum vers les courtes longueurs d’onde, ce qui accroît la puissance rayonnée dans le visible. Pour les oxydes de terres rares (manchon Auer), α_λ varie beaucoup avec λ et est important dans le visible, où se trouve une bande d’absorption : d’après la loi de Kirchhoff, il en est de même de l_λ ; d’où la forme de la courbe de répartition spectrale (fig. 3) et un accroissement du rendement lumineux.

Applications

En dehors de l’éclairage, les lois du rayonnement sont utilisées pour la mesure des températures* des corps incandescents ; on emploie pour cela des pyromètres, dont certains donnent une indication de la température liée au rayonnement total, alors que d’autres déduisent cette température de la valeur du rayonnement émis par la source au voisinage d’une longueur d’onde choisie une fois pour toutes. Tous ces pyromètres fournissent en principe, après étalonnage, la température du corps noir et conviennent pratiquement pour les fours ; mais l’indication qu’ils donnent en face d’un corps incandescent quelconque, par exemple filament de lampe, diffère sensiblement de la température réelle du corps : c’est, suivant l’appareil utilisé, la température apparente de rayonnement total ou la température de luminance pour la longueur d’onde choisie ; celles-ci sont toujours inférieures à la température réelle. Pour les corps dont le facteur d’absorption varie peu dans le domaine du visible, la partie correspondante de la courbe de répartition spectrale à la température T peut, par multiplication des ordonnées par un facteur constant convenable, être amenée à coïncider à peu près avec celle du corps noir à une certaine température T_c, qu’on appelle température de couleur du corps considéré. Égale à la température réelle pour un corps gris, cette température lui est supérieure pour certains métaux, tel le tungstène.

R. D.

➙ Mécanique ondulatoire ou mécanique quantique / Ondes électromagnétiques / Radiations / Température.

A. Blanc et M. Déribéré, Rayonnement (A. Colin, 1965). / U. Filippi, Matière, rayonnement, énergie (Dunod, 1966).

Trois savants

Heinrich Rubens,

physicien allemand (Wiesbaden 1865 - Berlin 1922). Auteur d’études sur les radiations infrarouges (1897), il effectua sur le rayonnement du corps noir des mesures qui confirmèrent la théorie des quanta.

Josef Stefan,

physicien autrichien (Sankt Peter, près de Klagenfurt, 1835 - Vienne 1893). Auteur de théories sur la diffusion et la conductibilité calorifique des gaz, il a donné la loi fournissant la puissance de rayonnement du corps noir.

Wilhelm Wien,

physicien allemand (Gaffken, Prusse-Orientale, 1864 - Munich 1928). Il a mesuré les masses et les vitesses des rayons positifs et énoncé la loi donnant la répartition spectrale du corps noir.

réacteur nucléaire

Dispositif dans lequel une réaction de fission nucléaire en chaîne auto-entretenue peut être maintenue et dirigée.

Description générale

Un réacteur nucléaire comporte trois parties :
— une partie active, le cœur ;
— un dispositif de réglage et de sécurité ;
— une enveloppe étanche pouvant supporter des pressions importantes.

Le cœur

Comparable au foyer d’une chaudière, il assure la production de la chaleur.

On définit les différents types de réacteurs par les trois principaux éléments qui caractérisent le cœur : le combustible, le modérateur et le fluide caloporteur.

• Le combustible. Il peut être de l’uranium* — qui est le plus fréquemment utilisé — ou du plutonium*.

L’uranium peut être soit sous sa forme naturelle (0,7 p. 100 d’uranium 235 et 99,3 p. 100 d’uranium 238), soit sous une forme dite « enrichie », dans laquelle on a augmenté la proportion de l’uranium 235 (de l’ordre de 3 à 4 p. 100).

L’uranium naturel est employé le plus souvent sous forme de barreaux pleins ou creux (tubes) d’uranium métallique de quelques centimètres de diamètre et de quelques dizaines de centimètres de longueur. L’uranium enrichi est généralement utilisé à l’état d’oxyde d’uranium (UO₂) sous forme de petits cylindres de quelques millimètres de diamètre et d’une quinzaine de millimètres de longueur empilés dans des tubes métalliques.

Pour retenir les produits de fission qui se forment dans le combustible et éviter une contamination extérieure, on entoure celui-ci d’une gaine parfaitement étanche, qui le protège de la corrosion et de l’érosion par le fluide caloporteur, et qui constitue aussi un support mécanique ; cette gaine peut être du magnésium, de l’acier inoxydable ou un alliage de zirconium.

• Le modérateur. Pour entretenir la réaction en chaîne, les neutrons dont la vitesse d’émission est de l’ordre de 20 000 km/s, doivent être ralentis jusqu’à une vitesse de 2 km/s : c’est le rôle du modérateur, qu’il serait plus correct d’appeler ralentisseur. Le modérateur est formé d’atomes légers, de façon que les neutrons, en rebondissant sur les noyaux de ces atomes, puissent, par des chocs élastiques successifs, se ralentir, à la manière de boules de billard, sans être capturés.

Les modérateurs les plus utilisés sont le graphite, l’eau ordinaire, l’eau lourde, le béryllium ou certains liquides organiques.

• Le fluide caloporteur. La chaleur libérée au sein du combustible par la fission nucléaire est évacuée hors du cœur du réacteur par un fluide mis en mouvement par une soufflante ou une pompe.

Le fluide caloporteur doit :
— être suffisamment stable chimiquement ;
— capturer le moins possible de neutrons ;
— avoir une capacité et une conductivité calorifiques élevées ;
— ne corroder ni la gaine du combustible ni les autres constituants du réacteur.

Il peut être :
— du gaz carbonique (réacteurs à uranium naturel) ;
— de l’eau (réacteurs à uranium enrichi-eau ordinaire) ;
— du sodium fondu (réacteurs surrégénérateurs) ;
— de l’hélium, de l’eau lourde, des liquides organiques (autres types de réacteurs).