Dossier : Comprendre l’énergie nucléaire

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Décryptages

De la chimie au nucléaire, le grand saut de l’énergie

Le terme nucléaire vient du latin nucleus, qui veut dire noyau. L’énergie nucléaire est dégagée par la fission du noyau de certains atomes lourds. Elle met en jeu des forces bien plus considérables que celles engagées dans les réactions chimiques qui caractérisent par exemple la combustion du pétrole ou du gaz. Mais, du fait de sa puissance, cette énergie doit être maîtrisée et contrôlée par des techniques complexes.

En se cassant, les noyaux d'uranium génèrent une grande quantité d'énergie sous forme de chaleur. Un réacteur nucléaire reproduit ce principe de fission pour créer de la vapeur, puis de l'électricité. © THINKSTOCK

Les planètes, l'air, l'eau, les rochers, les êtres vivants... Tout, dans l'univers, est composé d'atomesL'atome est le constituant fondamental de la matière, la plus petite unité indivisible d'un élément chimique.... Invisibles à l’œil nu, les atomes sont eux-mêmes composés de plusieurs éléments.

Chaque atome est constitué :

S’ils sont éloignés les uns des autres, protons et électrons sont liés par leur charge électrique de même valeur, mais positive pour l’un (proton) et négative pour l’autre (électron). Ils sont en nombre égal, ce qui rend l’atome électriquement neutre. Les neutrons sont des particules neutres, mais ils jouent un rôle important dans la cohésion du noyau et contribuent fortement à sa masse.

La chimie est la combinaison des atomes entre eux, obtenue en redistribuant leurs électrons, ce qui implique tout un système de forces, donc d’énergie. Brûler du bois, du charbon, du gaz, c’est libérer de l’énergie chimique.

Le nucléaire intervient quant à lui sur les noyaux, dont la cohésion est très élevée. Les liaisons qui unissent les particules du noyau sont en effet considérablement plus fortes que celles qui retiennent les électrons sur leur orbite. « Casser » les noyaux d’un gramme d’uraniumMétal gris, très dense et radioactif, l'uranium est un élément relativement répandu dans l'écorce terrestre et l'eau des océans... dégage 1 million de fois plus d’énergie que brûler 1 gramme de combustibleUn combustible désigne tout composant ou matière solide, liquide ou gazeux susceptible de se combiner à un oxydant... fossile dans une réaction chimique.

C'est le nombre de protons - identique à celui des électrons - qui donne à l'atome ses propriétés chimiques. Le plus léger des éléments est l’hydrogèneL'hydrogène est l'atome le plus simple et le plus léger. C'est l'élément de très loin le plus abondant de l’univers. (1 proton). L’élément naturel le plus lourd de la croûte terrestre est l’uranium (92 protons). Deux atomes ayant le même nombre de protons - mais un nombre de neutrons différent - sont des isotopesLes atomes d’un même élément peuvent comporter un nombre différent de neutrons tout en conservant le même nombre de protons.... Leurs propriétés chimiques sont identiques, alors que leurs propriétés physiques, notamment nucléaires, sont différentes.

Le plus léger des éléments chimiques est l’hydrogène ; le plus lourd, existant naturellement, est l’uranium.

Fusion et fission nucléaire

L’énergie nucléaire a été identifiée dans les années 1930, avec ses deux grandes réactions, la fusion et la fission.

La fusion nucléaireLa fusion nucléaire désigne le phénomène par lequel deux atomes fusionnent en un atome plus lourd en dégageant de l'énergie... : il s’agit de rapprocher deux noyaux légers d’hydrogène qui fusionnent pour former l’hélium, élément à deux protons. C’est cette réaction qui assure le rayonnement du soleil. L’Homme l’a réalisée dans les bombes H et cherche à la reproduire de façon contrôlée dans le projet International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER)Le projet ITER vise à construire le premier réacteur expérimental de fusion nucléaire capable de produire plus d’énergie... (Voir le dossier : « La fusion nucléaire »).

La fission nucléaireDésintégration d'un noyau atomique lourd instable en plusieurs noyaux plus légers (le plus souvent deux)... est à la base du nucléaire civil tel qu’il existe aujourd’hui. Il s’agit de casser de gros noyaux. On appelle « fissile » un atome dont le noyau peut se casser en deux morceaux sous l'effet de l’impact d’un neutron. Cette rupture libère d’autres neutrons qui provoquent à leur tour de nouvelles fissions, libérant d'autres neutrons… provoquant ainsi ce que l’on appelle une réaction en chaînePour provoquer la fission nucléaire (fission induite), on bombarde les noyaux d’uranium-235 par des neutrons...2. Cette réaction s'accompagne d'un important dégagement d'énergie et d'une augmentation de la chaleurAujourd'hui, en thermodynamique statistique, la chaleur désigne un transfert d'agitation thermique des particules composant la matière... de la matière (Voir la vidéo : « L’énergie nucléaire »). Le principe d'un réacteur nucléaireSitué au cœur de la centrale nucléaire, le réacteur est une sorte de chaudière géante... consiste à maîtriser cette réaction en chaîne et à en récupérer l’énergie sous la forme de chaleur pour la transformer en électricité (Voir le décryptage : « Le fonctionnement du réacteur nucléaire »).

La fission n’est possible qu’avec un petit nombre de gros noyaux. Cela commence avec l’isotope-232 du thorium (90 protons et 142 neutrons, donc 232 particules), mais avec une probabilité extrêmement faible. Dans la nature, c’est l’uranium-235 (92 protons, 143 neutrons) qui est le plus efficace et l’on cherche donc à augmenter son taux pour obtenir un combustible enrichi.

235 : le nombre de particules dans le noyau de l’isotope de l’uranium le plus utilisé dans le nucléaire civil

L’uranium-238 (92 protons, 146 neutrons), très abondant dans le minerai, est moins performant mais il se transforme dans le réacteur nucléaire en plutonium-239 qui, lui, est fissile (comme tous les isotopes impairs) (Voir le décryptage : « Le cycle du combustible »).

La radioactivité

La modification des équilibres des noyaux, qu’elle soit provoquée ou naturelle, émet des particules ou des rayonnements électromagnétiques, appelés communément « rayons », classés en plusieurs catégories (α, β, γ) : c’est la radioactivitéDécouverte en 1896 par le physicien français Henri Becquerel, la radioactivité est un phénomène naturel.... Contrôlée, celle-ci peut avoir des effets curatifs en médecine, mais reçue à haute dose, elle présente des dangers pour les matières vivantes, et notamment les tissus humains (Voir le décryptage : « La radioactivité »).

 

Sources

(1) laradioactivite.com

(2) CEA