L'Energie nucléaire

Quand on pense à énergie nucléaire on pense souvent à des grosses tours en béton avec des gros nuages de fumée blanche. On pense aussi à l’Uranium, au Plutonium et à la radioactivité, mais quand est-il réellement ? Je n’aborderai pas le fonctionnement d’une centrale mais simplement les phénomènes de Fissionet Fusion nucléaire qui sont au cœur du problème. J’introduis ces notions car le prochain article portera sur le futur réacteur expérimental à fusion thermonucléaire de Cadarache : ITER.

Ces 2 phénomènes nucléaires peuvent être résumés simplement de la manière suivante : L’énergie nucléaire se libère de deux façons : ou le noyau d’un atome fusionne avec un autre noyau (fusion) ou il se casse en deux (fission). En général soit on vient fusionner 2 atomes légers (ex : Hydrogène) pour en former un plus lourd (ex : Hélium) soit on vient casser un atome très lourd (ex : Plutonium, Uranium…). On parle d’énergie nucléaire car on utilise une réaction du noyau qui est composé de nucléons (protons et neutrons).

La Fission

C’est la réaction qui est utilisée dans nos centrales nucléaires et dans les bombes Atomiques. Ce phénomène a été découvert en 1938 par des physiciens allemands suite à des expériences effectuées en bombardant des noyaux d’Uranium avec des neutrons. Attention, tous les atomes ne sont pas « fissibles » (c’est à dire cassable), ce phénomène est possible avec des atomes ayant un numéro atomique supérieur à 89 (le numéro atomique correspond au nombre de protons dans le noyau d’un atome). Les atomes les plus utilisés sont l’Uranium 235 (c est à dire avec 235 protons dans le noyau) et le Plutonium 239 que l’on vient bombarder avec des neutrons. Cette « cassure » de l’atome en 2 autres atomes plus petits vient libérer une énergie formidable sous forme d’énergie cinétique car les 2 atomes ainsi créés se propage à environ 8000 km/s et viennent alors réchauffer la matière ambiante (l’énergie cinétique est proportionnelle à la masse et au carré de la vitesse de l’objet considéré ). Une centrale nucléaire va venir exploiter cette chaleur pour générer de la vapeur d’eau (qu’on voit sortir par la cheminé) et la transformer en électricité (voir article Electricité).

L’originalité de la fission est la réaction en chaîne. Chaque fission vient dégager 2 ou 3 neutrons libres à très grande vitesse (20 000 km/s) qui peuvent alors provoquer à nouveau une nouvelle fission. On a une réaction en chaîne puisqu’en induisant une seule fission dans la masse d’uranium, on peut obtenir si on ne contrôle pas les neutrons au moins 2 fissions, qui vont en provoquer 4, puis 8, puis 16, puis 32…

Dans les réacteurs, la réaction en chaîne est stabilisée à un niveau donné, c’est-à-dire qu’une grande partie des neutrons est capturée afin qu’ils ne provoquent pas d’autres fissions. Il suffit seulement qu’un neutron, à chaque fission, provoque une nouvelle fission pour libérer régulièrement de l’énergie. Au contraire, pour la bombe, la réaction en chaîne doit être la plus divergente possible dans le temps le plus court : on favorise sa croissance exponentielle et l’on confine l’énergie le plus longtemps possible pour faire BOUM.

La Fusion thermonucléaire

Deuxième phénomène nucléaire, que l’homme maîtrise encore mal mais qui est omniprésent dans l’univers. Effectivement une étoile n’est ni plus ni moins qu’un gros réacteur à fusion nucléaire. Les étoiles (comme notre Soleil) viennent dans leur cœur faire fusionner des atomes d’Hydrogène entre eux pour former un élément plus lourd : l’Hélium. Lorsque notre cher soleil n’aura plus de carburant (d’Hydrogène) alors il s’éteindra… Cette fusion nucléaire se produit spontanément si la température est suffisante pour que les 2 noyaux soient suffisamment proche car ils ont tendance a se repousser par force électrostatique.

Cette réaction fournie une énergie beaucoup plus importante que la fission. C’est cette fusion thermonucléaire qui est utilisé dans les bombes H de manière non contrôlée et qui sera utilisée dans le futur réacteur ITER. Le gros problème c’est que pour provoquer la fusion de 2 noyaux, il faut atteindre des températures titanesques (plusieurs centaines de millions de degrés). Pour faire cette fusion sur Terre, le plus simple est d’utiliser 2 isotopes de l’Hydrogène (deux isotopes sont des atomes ayant le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons) qui sont le deutérium et le tritium. Le deutérium (un proton et un neutron), qui compose l’« eau lourde », peut être extrait à partir d’eau de mer assez facilement. On trouve en moyenne 33g de deutérium dans 1m³ d’eau de mer. Le tritium (1 protons et 2 neutrons) est un élément radioactif mais tout de même 87 500 000 fois moins que l’Uranium utilisé dans la fission. Le tritium a une période de radioactivité de 12 ans, l’Uranium 235 a une période de 700 000 000 ans (la période de radioactivité est le temps nécessaire pour que la moitié des atomes d’un isotope radioactif se désintègre naturellement).

Ici, pas de réaction en chaîne, il faut en permanence alimenter cette fusion, on ne peut donc pas avoir de phénomène d’ « emballement » comme avec la fission. Pour le moment, sur Terre, les expériences de fusion sont extrêmement rares, difficiles et coûtent chères. Ces essais ont été réalisés dans des Tokamaks (une sorte de gros Donut, voir photo) pourvu d’un énorme champs électromagnétique permettant de faire flotter le plasma au centre du donut, on parle alors de fusion par confinement magnétique. On citera juste les expériences JETchez les européens, JT-6OU pour les japonais, Tore Supra en France et T-15 en Russie. Les résultats sont encore peu convaincants mais les scientifiques du monde entier mettent leurs billes sur le projet international ITER.

A suivre au prochain article dédié à ITER