Phénomènes naturels de fusion/fission nucléaire a grande profondeur?

[Yvan_Delaserge]

Bonjour,
J'essaie d'estimer la pression qu'il peut regner a grande profondeur dans le globe terrestre.

Admettons que l'on se place a 6000 kilomètres de profondeur.
SI au-dessus de nous, on avait 6 000 000 de metres d'eau, la pression serait de 600 000 atmosphères. (1 Atmosphere pour 10 metres d'eau).
Comme ce n'est pas de l'eau, mais de la roche, multiplions ce chiffre par 5.
On obtient 3 millions d'atmospheres.
En admettant que cette estimation soit proche de la réalité, cette pression impressionnante serait-elle suffisante pour rapprocher suffisamment les noyaux des atomes de la matière se trouvant sur place et obtenir ainsi des reactions de fusion ou de fission nucléaire?

Si ce n'est pas le cas, quelle pression faudrait-il atteindre pour que cela soit possible?
Est-ce que cela serait possible dans une planete de plus grandes dimensions? Saturne, Jupiter, sans pour autant que cela transforme ces deux planètes en etoiles?
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[XK150]

Bonjour ,

Dans les conditions actuelles :

Fission : non , il faut une masse critique en matière fissile , un modérateur dont le plus simple est H2O pour qu'une réaction en chaîne se déclenche et avoir un réacteur ;
Ces conditions naturelles sont impossibles à réunir à l'intérieur du globe pour obtenir un réacteur à fission naturel , et dans ce cas , la pression ne servirait à rien . Il reste simplement les fissions naturelles des uranium et thorium à très faible taux , et leurs désintégrations naturelles autres que les fissions .
Il a existé des réacteurs à fission naturels , mais en surface , à cause du besoin en eau : c'était il y a 2 milliards d'années au Gabon à Oklo .
Il ne peut plus en exister de nos jours à cause de la baisse de la teneur en 235U dans l'uranium naturel .

Fusion : oui , à cause de la présence forte de fer et nickel , il y a eu et il existe encore des fusions Fe-Ni . Seulement , ces fusions sont endothermiques ,
elles ont contribué et contribuent encore au refroidissement et à la formation du noyau solide central de la planète .

[Opabinia]

Bonjour,

Le Fer et les éléments voisins sont les termes ultimes de la synthèse des noyaux atomiques par fusion, qui se produit au cœur des étoiles; il s'agit des nucléides les plus stables, qui présentent la plus forte énergie de liaison par nucléon.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Pic_du_fer

Le Fer est majoritairement présent dans le noyau de la planète; la matière, soumise à une pression de 3.5 Mbar à une température ~ 6000 K, y présente une densité de l'ordre de 13g/cm³; c'est nettement supérieur à ce que l'on connaît pour le fer pur dans les conditions ordinaires (7.9 g/cm³), mais cependant encore très loin de ce qu'il faudrait envisager pour qu'intervienne un contact des noyaux atomiques: le rapport des distances interatomiques (matière comprimée/métal sous 1 bar) y est seulement de (7.9/13)^1/3 ~ 0.85 = 85 % .
https://fr.wikipedia.org/wiki/Noyau_terrestre

[Opabinia]

De plus la charge des noyaux de Fer (et éléments voisins) est beaucoup trop élevée pour que l'on puisse envisager leur fusion directe à l'intérieur de la planète; la fusion des noyaux atomiques est un processu stellaire, et le dernier stade observé dans le cas de la nucléosynthèse calme au sein des étoiles en fin de vie est la fusion du silicium (Z = 14).

Les éléments plus lourds résultent d'un processus explosif, lors d'évènements cataclysmiques (explosion des supernovas, coalescence de deux étoiles à neutrons).

https://fr.wikipedia.org/wiki/Nucl%C...A8se_stellaire

[A voir en vidéo sur Futura]

[XK150]

Re ,

Je rentre dans le rang et je m'aligne sur la pensée officielle : " Il ne fait pas assez chaud pour avoir des fusions .... " .

Mais tout n'est pas encore blanc ou noir ou connu dans cette affaire , 2 liens au hasard :

https://www.nature.com/articles/srep37740
https://www.longdom.org/open-access/...rth-90873.html

[Tawahi-Kiwi]

Salut,

J'essaie d'estimer la pression qu'il peut regner a grande profondeur dans le globe terrestre.

Admettons que l'on se place a 6000 kilomètres de profondeur.
SI au-dessus de nous, on avait 6 000 000 de metres d'eau, la pression serait de 600 000 atmosphères. (1 Atmosphere pour 10 metres d'eau).
Comme ce n'est pas de l'eau, mais de la roche, multiplions ce chiffre par 5.
On obtient 3 millions d'atmospheres.

La pression lithostatique depend de la densite de la roche (fonction de pression, temperature et composition) et la variation de l'acceleration terrestre. On peut evidemment faire une approximation approximative suivant ce que l'on cherche exactement a calculer (ici, pas besoin d'aller plus loin en effet).
Sinon, le model PREM est suffisamment proche de la realite:

Source: Dziewonski & Anderson, 1981

[Tawahi-Kiwi]

Mais tout n'est pas encore blanc ou noir ou connu dans cette affaire , 2 liens au hasard :

https://www.nature.com/articles/srep37740
https://www.longdom.org/open-access/...rth-90873.html

Je me souviens de l'article de Fukuhara, on en a deja discute ici (en planeto) mais ca a fini comme argument pour une terre en expansion....
Perso, pas convaincu du tout (du point de vue geochimique; du point de vue physique nucleaire, j'en sais rien).

A noter que je ne pense pas que c'est 2 liens au hasard...c'est 2 liens parmi la petite poignee d'articles qui existent sur le sujet

T-K

[XK150]

Je me souviens de l'article de Fukuhara, on en a deja discute ici (en planeto) mais ca a fini comme argument pour une terre en expansion....
Perso, pas convaincu du tout (du point de vue geochimique; du point de vue physique nucleaire, j'en sais rien).

A noter que je ne pense pas que c'est 2 liens au hasard...c'est 2 liens parmi la petite poignee d'articles qui existent sur le sujet

T-K

Ah oui , pour moi , c'est au hasard , ou plutôt les premiers développés qui sont apparus dans ma recherche : je les avais déjà vu , il y a quelques mois .

[Tawahi-Kiwi]

https://www.nature.com/articles/srep37740
https://www.longdom.org/open-access/...rth-90873.html

En fait, Fukuhara, 2016, publie par le Nature Group en 2016, avec 4 citations, dont 3 sont Fukuhara lui-meme.....je crois que je n'ai jamais vu un article de Nature si peu cite

L'autre article, 2022, c'est de la blaque: 10, 'dix' references, dont 5 references vieilles de plus de 50 ans (1929 comme annee de publication pour supporter un processus de fusion nucleaire, faut oser , 1 sur l'IPCC, 1 archaique sur la nature du Moho; 1 d'un bouquin d'intro en physique et 1 article de vulgarisation dans le Scientific American

Bref, ca n'attire pas les foules la fusion terrestre endogene

[Yvan_Delaserge]

Bonjour,

Le Fer et les éléments voisins sont les termes ultimes de la synthèse des noyaux atomiques par fusion, qui se produit au cœur des étoiles; il s'agit des nucléides les plus stables, qui présentent la plus forte énergie de liaison par nucléon.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Pic_du_fer

Le Fer est majoritairement présent dans le noyau de la planète; la matière, soumise à une pression de 3.5 Mbar à une température ~ 6000 K, y présente une densité de l'ordre de 13g/cm³; c'est nettement supérieur à ce que l'on connaît pour le fer pur dans les conditions ordinaires (7.9 g/cm³), mais cependant encore très loin de ce qu'il faudrait envisager pour qu'intervienne un contact des noyaux atomiques: le rapport des distances interatomiques (matière comprimée/métal sous 1 bar) y est seulement de (7.9/13)^1/3 ~ 0.85 = 85 % .
https://fr.wikipedia.org/wiki/Noyau_terrestre

Sait--on a quoi est due la température de 6000 Kelvin?
S'agit-il d'une chaleur "originelle" , présente depuis la formation de la planète, et préservée par les parties plus périphériques de la planète , l'empêchant de se dissiper dans l'espace, malgré les milliards d'années?
Ou bien de la chaleur est-elle générée continuellement? Par des fissions nucléaires? Mais y a-t-il des éléments fossiles dans le NiFe?

[XK150]

Mais , comme je le disais ce matin , je suis rentré dans le rang à 8h44 min !!!

Concluons : pas de fusion nucléaire , encore moins de fissions de type réacteur , juste quelques fissions spontanées à très faible taux des matières fissiles , les mêmes qu'en surface ...
Pour ce que nous en savons , de nos jours ...

[Yvan_Delaserge]

Merci pour les references. Ce que je lis dans la première répond a mes questions:
The cause and source of the heat released from Earth’s interior have not yet been determined. Some research groups have proposed that the heat is supplied by radioactive decay or by a nuclear georeactor.

Au niveau du noyau, si une génération nucléaire est exclue, il ne reste que la chaleur originelle.
Mais comment peut-on savoir que la température est de 6000 Kelvins dans le noyau? On n'a évidemment pas pu la mesurer?

[Opabinia]

La température interne élevée de la Terre a deux origines: - l'accrétion des matériaux constituant la planète, au cours de laquelle leur énergie potentielle de gravitation s'est transformée en chaleur;
- la désintégration les radionucléides de longue demie-vie (Uranium et Thorium) qui a pour l'essentiel contribué au maintien d'une température élevée.

[XK150]

Mais comment peut-on savoir que la température est de 6000 Kelvins dans le noyau? On n'a évidemment pas pu la mesurer?

Indirectement , en combinant le trajet des ondes sismiques , le comportement du point de fusion du fer sous pression mesuré en labo et la courbe de pression ( post 6 ) , un lien sérieux :

https://www.cea.fr/presse/Pages/actu...luee-esrf.aspx

[Tawahi-Kiwi]

Merci pour les references. Ce que je lis dans la première répond a mes questions:
The cause and source of the heat released from Earth’s interior have not yet been determined. Some research groups have proposed that the heat is supplied by radioactive decay or by a nuclear georeactor.

Honnetement, ne prends pas ces references comme representatif de l'etat de la Science sur le sujet. C'est un peu n'importe quoi a pas mal de niveau.

Concernant l'origine de la chaleur terrestre, je reposte frequemment ce bilan fait par Gilgamesh il y a maintenant plus d'une dizaine d'annees. Ca a change un peu, mais pas enormement.

La puissance thermique de la Terre est de 43 à 44 TW (1 TW = 1000 milliards de watt). On prendra ce chiffre pour la suite quoiqu'une étude plus recente la donne plus proche de 36 TW.

Les contributeurs sont :

1/ la radioactivité...
a) du manteau primitif : 25 TW
nota : manteau primitif = manteau actuel + croûte.

b) du noyau : 0-1 TW


2/ la libération de chaleur primordiale...
a) par refroidissement : 13,3 TW

b) par cristallisation du noyau (chaleur latente de solidification) : 2 TW

c) par liberation d'énergie gravitationnelle ('contraction' de la Terre résultant de la cristallisation) : 2,7 TW

Le refroidissement de la Terre (13,3 TW) est égal à M.C dT/dt

La masse M de la Terre étant de 6.1024 kg et sa capacité calorifique C approx. de 1000 J/kg, on peut en conclure qu'elle refroidit au rythme actuel d'environ 70°C (T moyenne) par milliard d'années.

L'accroissement de la taille de la graine solide se calcul comme :

dR/dt = dM/(4pi.rho.r²)dt

avec r graine=1221 km, rho graine = 11t/m3, l'accroissement est donc de 500 km par milliard d'années. Conclusion: elle n'est pas plus vieille que 2 Ga.


En ce qui concerne la puissance thermique on a vu que la radioactivité est le contributeur principal.

Elle a elle-même pour sous-contributeurs 4 isotopes à très longue périodes.

Dans ce qui suit :

tau : demi-vie (en milliard d'année)
h0 : énergie libérére par kg d'isotope décomposé (TJ/kg)
C0 : concentration (1e-9 kg/kg)
H : contribution actuelle (en TW) / il y a 3 Ga

238U (uranium)
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tau : 4,47
h0 : 19
C0 : 25,5
H :9,6 / 15,2

235U (fils de 238U)
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tau : 0,704
h0 : 18,2
C0 : 0,19
H : 0,4 / 8,1

232Th (thorium)
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tau : 14
h0 : 17,1
C0 : 103
H : 11,1 / 12,9

40K (potassium)
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tau : 1,25
h0 : 0,158
C0 : 32,9
H : 3,7 / 19,4

On a pu noter l'insigne faiblesse de la radioactivité du noyau dû au fait que par le plus grand des hasard les 3 éléments chimiques (uranium, thorium et potassium) responsables de la radioactivité du globe sont litophiles, c-a-d que lors d'une fusion du matériau initial, ils sont peu soluble dans la phase fer.

In addition of that, lors d'une fusion du manteau pour former le magma, ils se retrouvent préférentiellement dans la phase liquide et s'accumulent donc dans le magma pour former la croûte terrestre (océanique ou continentale). Près de la moitié de la chaleur radiogénique est donc dégagée dans la croûte, ce qui explique que le gradient thermique de la Terre est beaucoup plus fort dans les 100 premiers kilomètres.

Au départ la Terre est chaude parce que les éléments qui la forment tombent sur le globe en formation. Qui dit chute, dit libération d'énergie gravitationnelle (de la même façon qu'un verre libere sont énergie de chute en se brisant au moment de toucher le sol). Entre les chocs, la Terre a le temps de former une surface solide rocheuse très peu conductrice de chaleur : le globe serait beaucoup plus froid si c'était un globe métallique. En plus de cela, et dans la masse il integre des éléments radioactifs qui entretiennent continuellement l'apport de chaleur. Près de la moitié est aujourd'hui désintégrée, dans les premiers âge (Achéen) la chaleur radiogénique était du double de maintenant.

[Opabinia]

Tes questions et commentaires appellent beaucoup de remarques

Sait--on a quoi est due la température de 6000 Kelvin?
S'agit-il d'une chaleur "originelle" , présente depuis la formation de la planète, et préservée par les parties plus périphériques de la planète , l'empêchant de se dissiper dans l'espace, malgré les milliards d'années?
Ou bien de la chaleur est-elle générée continuellement? Par des fissions nucléaires? Mais y a-t-il des éléments fossiles dans le NiFe?

# Il n'y a pas de "chaleur originelle": les matériaux initialement épars autour du Soleil dans le nuage de poussières qui l'entourait , se sont progressivement assemblés sous l'effet de l'attraction gravitationnelle pour former -entre autres - la Terre; le rassemblement de ces matériaux dans le volume relativement petit de la planète s'est accompagné d'une perte d'énergie gravitationnelle, laquelle a été convertie en énergie thermique.
D'où une élévation importante de la température à plusieurs milliers de kelvins, qui a entraîné une fusion générale de tous les matériaux et permis une séparation des oxydes d'éléments légers (Mg, Al Si) présents dans le manteau actuel des éléments métalliques plus denses qui ont migré sous l'effet de la pesanteur vers l'intérieur de la planète, et qui constituent le noyau.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Struct...ne_de_la_Terre
Les propriétés de la matière comprimée sous des pressions énormes, à des températures élevées, ont pu faire l'objet de mesures en laboratoire.
https://www.cea.fr/presse/Pages/actu...luee-esrf.aspx

# Le problème du refroidissement d'une sphère homogène est bien connu; l'évacuation de la chaleur s'effectuant par rayonnement au niveau de sa surface, la température augmente progressivement avec ma profondeur et présente sa valeur maximale au centre. La valeur citée (13000 K) est bien sûr une estimation basée (entre autres) sur la conductivité thermique locale des matériaux présents.

# De la chaleur est en effet continuellement produite à l'intérieur de la Terre en raison des radionucléides dont j'ai déjà parlé, présents dans le manteau et le noyau. Leur désintégration libère de l'énergie et a pour effet de maintenir une température interne élevée sur plusieurs dizaines de milliard d'années.
https://planet-terre.ens-lyon.fr/res...geothermie.xml
https://fr.wikipedia.org/wiki/Noyau_interne

[Yvan_Delaserge]

Merci a tous pour ces précisions.

Un autre lien sur le sujet:

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Internal_heating

[Tawahi-Kiwi]

D'où une élévation importante de la température à plusieurs milliers de kelvins, qui a entraîné une fusion générale de tous les matériaux et permis une séparation des oxydes d'éléments légers (Mg, Al Si) présents dans le manteau actuel des éléments métalliques plus denses qui ont migré sous l'effet de la pesanteur vers l'intérieur de la planète, et qui constituent le noyau.

Pas mal de modelisation de l'accretion de la Terre ne permettent pas d'arriver a un taux de fusion partielle suffisant pour permettre la formation du noyau. Pour cela, il faut y ajouter la radioactivite des isotopes de 'courtes' durees de vie present en abondance dans la jeune terre. L'aluminium-26, le manganese-53, le fer-60 mais aussi l'iode-129, le technetium, le plutonium (244), le curium (247); tout ces elements a desintegration 'rapide' ont chauffe la Terre homogene pour creer une ocean magmatique de quelques centaines de kilometres de profondeur, qui a permit a la phase metallique de coalescer et couler vers le centre.

T-K

[Yvan_Delaserge]

Tes questions et commentaires appellent beaucoup de remarques



# Il n'y a pas de "chaleur originelle": les matériaux initialement épars autour du Soleil dans le nuage de poussières qui l'entourait , se sont progressivement assemblés sous l'effet de l'attraction gravitationnelle pour former -entre autres - la Terre; le rassemblement de ces matériaux dans le volume relativement petit de la planète s'est accompagné d'une perte d'énergie gravitationnelle, laquelle a été convertie en énergie thermique.
D'où une élévation importante de la température à plusieurs milliers de kelvins, qui a entraîné une fusion générale de tous les matériaux et permis une séparation des oxydes d'éléments légers (Mg, Al Si) présents dans le manteau actuel des éléments métalliques plus denses qui ont migré sous l'effet de la pesanteur vers l'intérieur de la planète, et qui constituent le noyau.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Struct...ne_de_la_Terre
Les propriétés de la matière comprimée sous des pressions énormes, à des températures élevées, ont pu faire l'objet de mesures en laboratoire.
https://www.cea.fr/presse/Pages/actu...luee-esrf.aspx

# Le problème du refroidissement d'une sphère homogène est bien connu; l'évacuation de la chaleur s'effectuant par rayonnement au niveau de sa surface, la température augmente progressivement avec ma profondeur et présente sa valeur maximale au centre. La valeur citée (13000 K) est bien sûr une estimation basée (entre autres) sur la conductivité thermique locale des matériaux présents.

# De la chaleur est en effet continuellement produite à l'intérieur de la Terre en raison des radionucléides dont j'ai déjà parlé, présents dans le manteau et le noyau. Leur désintégration libère de l'énergie et a pour effet de maintenir une température interne élevée sur plusieurs dizaines de milliard d'années.
https://planet-terre.ens-lyon.fr/res...geothermie.xml
https://fr.wikipedia.org/wiki/Noyau_interne

La seconde reference dit la chose suivante:
De minuscules grains de fer, de la taille de grains de poussière (quelques microns), ont été comprimés entre deux pointes de diamants, créant ainsi une pression atteignant 2 millions d’atmosphères. Un faisceau laser a permis de chauffer les échantillons à plusieurs milliers de degrés. Grâce à un faisceau ultra fin de rayons X de l’ESRF, les chercheurs ont pu déterminer par diffraction l’état de l’échantillon, solide ou en fusion, jusqu’à des valeurs de 4 800°C et 2,2 millions d’atmosphères

Comment ont-ils réussi a chauffer l'échantillon à plusieurs milliers de degrés sans fondre les enclumes en diamant?

[XK150]

Le pont de fusion du diamant est à 3550 ° , les échantillons de fer sont de très faibles masses , le temps de chauffe très court : ce sont des mesures " instantanées "
il n'y a pas de dégagement de chaleur significatif .

[Tawahi-Kiwi]

Le pont de fusion du diamant est à 3550 °

Et a 220 GPa, le solidus du carbone est plutot a 7000-7500K


Source: Eggert et al., 2009

T-K