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(S-8) Puissance Nucléaire

 

    Note: Nous faisons une incursion dans les bases de l'énergie nucléaire, dépassant ainsi l'objet principal "de Stargazers " Nous l'avons écrite parce c'est un sujet important pour la société moderne et par ce que nous en avons abordé les principes dans la section S-7 "l'énergie du soleil". Même sans maths, c'est un sujet assez difficile dont la présentation pourrait être plus longue.

Nous revoyons maintenant les notions de la section S-7. La suite est la présentation qualitative des principaux procédés de l'utilisation pratique de l'énergie nucléaire.

Révision de la structure nucléaire

La production de l'énergie du soleil aide à comprendre celle d'une centrale nucléaire. Les deux processus sont cependant tout à fait différents.

Voici quelques faits sur la conjugaison des protons et des neutrons dans le noyau, comme il a été vu dans la section S-7 sur le soleil :

  1.   Indépendamment de leur charge électrique, les protons et les neutrons ("nucléons") sont tout à fait semblables. Ils peuvent attirer d'autres nucléons et se combiner avec eux pour former des noyaux plus lourds, ce qui libère de l'énergie. Dans le soleil par exemple, deux protons et deux neutrons se combinent pour former un noyau d'hélium Par ce processus atomique, les particules acquièrent une grande vitesse à l'origine de la chaleur du soleil.

  2.   Contrairement à la pesanteur ou aux forces électriques, la force nucléaire n'est efficace qu'à de très courtes distances. Dès qu'ils sont un peu éloignés, les protons se repoussent puiqu'ils sont positivement chargés, et que des charges de même nature se repoussent

      Pour cette raison, les protons des noyaux de l'hydrogène classique - par exemple dans un ballon -- ne se combinent pas pour former de l'hélium (un processus qui d'ailleurs exigerait une combinaison avec des électrons et la production de neutrons). Ils ne peuvent être assez rapprochés pour que la force nucléaire soit assez importante pour les retenir ! un tel processus ne peut se produire que dans les noyaux du soleil, sous une pression et une température extrêmes.

  3.   Les autres petits noyaux peuvent également se combiner avec les plus gros et libérer de l'énergie, mais en quantité beaucoup moindre . Cela s'explique parce que l'énergie du travail d'attraction nucléaire, est freinée par l'expansion des protons positivement chargés.

  4.   A partir du fer ( dont le noyau possède 26 protons ) -- ce processus ne fait plus gagner d'énergie. Et pour des noyaux encore plus lourds l'ajout de protons mène à une perte d'énergie, pas un gain. Contrer la répulsion électrique (qui concerne tous les protons du noyau) demande plus d'énergie que celle qui est libérée par l'attraction nucléaire (principalement efficace sur les proches voisins). Mais attention; l'énergie peut être finalement excédentaire si on casse (fission)les noyaux plus lourds que le fer.

  5.   Avec certains des plus gros noyaux (éléments beaucoup plus lourds que la moyenne), la répulsion électrique est si forte qu'il y a éjection spontanée de particules positives -- habituellement des noyaux d'hélium, sous forme très stable ("particules alpha"). Cette auto destruction spontanée ( désintégration ) est l'une des formes de la radioactivité des noyaux.

  6.   Des noyaux plus lourds que ceux de l' uranium se désintègrent trop rapidement pour exister dans la nature, mais ils peuvent être produits artificiellement. Plus ils sont lourds, plus leur désintégration spontanée est rapide.

En résumé : les noyaux du fer sont les plus stables, et les meilleures sources d'énergie sont trouvées dans les noyaux les plus éloignés du fer. On peut combiner (fusion ) les plus légers les noyaux d'hydrogène (protons) -- pour former des noyaux d'hélium, comme dans le soleil. Ou bien casser les plus lourds --(fission )-- les noyaux d'uranium -- en composés plus petits, c' est ce que font les industriels de l'énergie nucléaire.

Combien de protons, combien de neutrons ?

Nous avons déjà dit que les protons et les neutrons (conjointement appelés "nucléons") sont intrinsèquement semblables, et peuvent s'intervertir au prix de l'absorption ou de l'émission d'un électron pour maintenir une charge électrique équilibrée. Comment leur quantité respective dans le noyau se détermine - elle?

Les forces nucléaires privilégient apparemment l'égalité : dans les noyaux légers -- hélium, carbone, azote, l'oxygène -- le rapport habituel est de 50:50, bien que des variantes ("isotopes") avec de petites inégalités puissent exister et être stables.

Si le noyau est lourd, cette règle de l'égalité ne tient plus, en raison de la répulsion électrique des protons. Imaginons un noyau de 56 nucléons, et supposons pouvoir choisir la proportion de neutrons et de protons. Quelle serait la combinaison la plus stable ?

Avec 28 et 28 ,on devrait obtenir la cohésion nucléaire la plus stable, mais les 28 protons positifs ne pourraient cohabiter. Dans la nature il y a un compromis : le noyau de la forme habituelle du fer - possède 30 neutrons et seulement 26 protons.

La proportion des protons diminue encore si le poids des noyaux augmente : 45% dans les noyaux de poids moyen, et moins de 40% pour les plus lourds, ceux de l'uranium. L'uranium normal ("U-238") possède 92 protons contre 146 neutrons, ( total = 238 nucléons). Comme nous allons le voir, ce changement progressif du rapport proton/neutron est essentiel à la réaction en chaîne nucléaire.

   

Fission Nucléaire

Les noyaux de l'uranium naturel sont instables. Leurs 92 protons sont en activité, et éjectent tôt ou tard ( dans un délai moyen de 4.5 milliards ans) une particule positive, une "particule alpha", identique au très rapide noyau d'hélium. Presque tous les atomes d'hélium extraits du gaz naturel ou des roches -- en bonbonnes et pour d'autres usages -- sont à l'origine des particules alpha.

    Mais on peut accélérer cette désintégration, en soumettant ce matériel aux neutrons libres.

    Ceux ci ne sont pas trouvés dans la nature (ils seraient transformés en protons et électrons), mais peuvent être arrachés aux atomes de bérylium par bombardement de particules alpha sur des matériaux radioactifs, ou par d'autres méthodes. Puisqu'ils ne sont attirés que par les noyaux (contrairement aux protons qui sont repoussés avant d'être assez proches pour être soumis à l'attraction nucléaire), ils peuvent facilement pénétrer dans un noyau et y adhérer, un peu comme de petits aimants se précipitant sur un gros morceau d'acier.

    Cette attraction libère de l'énergie. Un noyau lourd déjà instable, comme dans le cas de l'uranium, l'est un peu plus par cet apport d'énergie, ce qui peut le désintégrer immédiatement. Cela peut être spectaculaire, comme l'ont découvert Hahn et Meitner en 1939. Au lieu d'enlever au noyau d'hélium un petit fragment, de par exemple moins de 2% de la masse, le noyau entier se scinde en 2 fragments analogues, typiquement de 1/3 et 2/3 de la masse initiale.

    Ce processus s'appelle la fission nucléaire . Mise à part sa vitesse, elle a au moins deux autres caractéristiques remarquables :

  1.   Elle libère beaucoup plus d'énergie que la désintégration d'un noyau d'hélium ("radioactivité "alpha").
  2.   Les produits de fragmentation sont eux-mêmes instables . Si vous désintégrez un noyau qui a, disons, 40 protons pour 60 neutrons, en fragments dont la proportion optimale ne serait que de (admettons le aussi) 45 à 55, un réajustement est certain.

En principe, cela nécessite la conversion de quelques neutrons en protons (plus une émission d'électrons, les "bêtas rayons"), ce qui est connu sous le nom de "bêta radioactivité." Cet ajustement se produit réellement, rendant les fragments violemment radioactifs, ce qui est très important dans l'industrie nucléaire.

Au début de la désintégration du noyau, les fragments sont trop instables pour que le processus progresse lentement. Les fragments doivent chacun s'ajuster très rapidement en émettant chacun un ou plusieurs neutrons libres

La Réaction en chaîne

En moyenne, deux neutrons sont libérés de cette manière par fission. Mais il n'en faut qu'un pour lancer une autre fission ! Ainsi si les noyaux fissibles sont massivement rassemblés et que chaque neutron produit une nouvelle fission, le nombre de fissions se multiplie rapidement : 2. 4, 8, 16, 32, 64, 128... Puisque le dégagement d'énergie est proportionnel au nombre de fissions, il se développe aussi -- très rapidement !

La bombe nucléaire (ou "bombe atomique") passe par cette réaction en chaîne . Le matériel destiné à la fission -- habituellement du plutonium, un élément lourd artificiel de 94 protons -- doit être très comprimé et au moment voulu, exposé au souffle des neutrons. Différentes manœuvres, tous " top - secret ", sont employées assurent qu'au moins une bonne partie des atomes sera soumise à la fission avant que le tout n'explose.

L'énergie nucléaire à usage commercial est un peu produite différemment, de façon plus contrôlée. Le carburant est l'uranium 235 (U-235) -- une variante ("isotope") de 92 protons et seulement 143 neutrons, non 146, un nombre impair qui la rend moins stable. L'uranium normal est la plupart du temps U-238, et peut absorber un neutron sans se fissionner (il se transforme finalement en plutonium). U-238 ne convient donc pas à la réaction en chaîne. Il contient cependant 0.7% d'uranium U-235, qui se fissionne dès qu'il absorbe un neutron.

    On a intelligemment construit quand même des réacteurs fonctionnant à l'uranium normal. L'artifice est de façonner le carburant en "barres" noyées dans du carbone pur ("modérateur") qui ralentit les neutrons sans les absorber. ( par exemple, "l'eau lourde", celle qui contient l'isotope lourd de l'hydrogène). Les neutrons issus d'une barre traversent généralement le modérateur, et se déplacent très lentement avant de frapper une autre barre : ces neutrons ralentis sont beaucoup plus attirés par U-235 que par U-238, de sorte que même dans une tige ne contenant que 0.7% d'U-235, les atomes de celui ci les capturent presque tous

    La Masse Critique

Il faut ajouter que beaucoup de ces neutrons sont également perdus dans l'environnement - par fuites aux limites du réacteur, ou par absorption dans les "faux noyaux ", ceux qui ne peuvent se fissionner. En fait, un réacteur doit être soigneusement conçu pour provoquer une réaction en chaîne de qualité : cela est réalisable.

Au début, des méthodes très onéreuses et très complexes ont été conçues pour séparer U-235 ou l'enrichir au dessus de 0.7%. Actuellement seul le carburant enrichi est utilisé dans l'industrie ce qui rend la conception des réacteurs plus facile et plus contrôlable. Avec du carburant enrichi, l'eau ordinaire peut servir de modérateur, et il est même possible de confondre modérateur et carburant en dissolvant une variété de l'uranium dans l'eau, cette dernière agissant à la fois comme modérateur et comme refroidisseur.

Ce genre de réacteur -- ou un gros fragment de plutonium - n'entretiendront pas une réaction en chaîne s'il sont trop petits. . Si la quantité de matière fissible est inférieure à la masse critique, la fission se produit en moyenne trop près de la surface. 2 neutrons sont produits à chaque fission, mais 1.2 en moyenne s'échappent pour éventuellement frapper un autre noyau, ne laissant que 0.8 neutron pour continuer le processus, alors qu'il en faudrait un ou plusieurs.

En travaillant le carburant nucléaire, ou en retraitant des barres de combustible, il est donc essentiel de ne travailler qu'avec de petites quantités , de crainte d'une réaction en chaîne accidentelle. Le 30 septembre 1999, des ouvriers qui installaient une centrale de transformation nucléaire à Tokaimura, Japon, ont pensé gagner du temps en traitant simultanément plusieurs échantillons d'une solution d'uranium. A la suite d'un flash de lumière bleue, une réaction en chaîne s'est produite, exposant trois ouvriers à des doses massives de rayonnement pendant 18 heures. 3 mois après un ouvrier est décédé (malgré des mesures extrêmes), un est sorti de l'hôpital et un est toujours (en date de 12/99) en soins intensifs.

Un rapport détaillé de l'accident ("Ce qui s'est produit à Tokaimura ?")est paru dans la "physique aujourd'hui", décembre 1999, p. 52-4. Un accident semblable s'est produit aux USA dans les années 50, lorsqu'un ouvrier extrayant du plutonium à partir d'une solution liquide a voulu aller plus vite et a mélangé plusieurs bains. Il est mort en deux jours des suites de l'exposition radioactive.

    [Note historique : Le premier réacteur nucléaire, conçu par Enrico Fermi, a été construit sous les gradins d'un ancien stade de l'université de Chicago. Au lieu de barres, il avait utilisé des granulés cylindriques d'uranium, enfoncés au milieu d'un grande "tas" de briques de carbone pur, le modérateur. Il a obtenu le 2 décembre 1942 une réaction en chaîne auto-entretenue de cette" pile atomique", dont la dénomination la désignant comme réacteur nucléaire est restée en usage pendant environ une décennie. ]

Le contrôle du Réacteur Nucléaire

Puisque dans un réacteur nucléaire il faut ralentir les neutrons, il est construit dans ce but et ne peut pas exploser comme une bombe nucléaire (même si c' est parfois un sujet de films d'épouvante )., La réaction en chaîne risque toujours de se développer très rapidement : sans contrôles, le réacteur pourrait en principe atteindre la température qui le ferait fondre. La méthode habituelle de contrôle est d'inclure dans le carburant des "barres de contrôle" qui absorbent fortement les neutrons -- par exemple du cadmium, en métal, également utilisé dans la galvanoplastie. En absorbant les neutrons libres, ces tiges ralentissent ou arrêtent la réaction en chaîne.

Heureusement, la nature nous a ici rendu service. Environ 1% des neutrons libérés par la fission ne sont pas rapidement émis mais sont retardés d'une fraction de seconde. Les réacteurs sont toujours réglés pour produire juste assez de neutrons pour entretenir la réaction en chaîne. Si pour une raison quelconque il y a une hausse de température , les neutrons retardés la régularisent et automatiquement les barres de contrôle s'abaissent ou se soulèvent.

    Les réacteurs nucléaires des USA utilisent habituellement de l'eau comme modérateur à l'intérieur d'un "réservoir de pression" en acier épais avec les barres de combustibles et celles de contrôle passant par les ouvertures de son couvercle. Pour débuter une réaction en chaîne

    • les barres de contrôle sont en partie retirées.
    • la fission débutante chauffe les éléments combustibles,
    • Ceux ci chauffent l'eau, de la vapeur se produit (habituellement, une vapeur "propre" circulant dans des tuyaux distincts de celle de l'eau radioactive des réacteurs), la vapeur fait tourner les turbines,
          et
    • Les générateurs reliés aux turbines produisent de l'électricité.
    C'est le processus de base -- les détails sont beaucoup, beaucoup plus compliqués.

    Est-ce l'énergie du futur ? A la date de la rédaction ( 1999) la France se procure 75% de son énergie de l'énergie nucléaire. Beaucoup de pays industriels, qui manquent de charbon et de pétrole, obtiennent de cette façon une fraction appréciable de leur énergie -- par exemple, 1/3 de l'énergie du Japon et de l'Espagne. Aux USA, après un début enthousiaste, l'utilisation de l'énergie nucléaire s'est stabilisée environ à 20% de la puissance développée, principalement en raison de la résistance de l'opinion publique à l'énergie nucléaire.

Mais les USA ont la chance de posséder de grandes réserves de charbon : la consommation croissante d'énergie est en grande partie assurée par ces carburants. D'un point de vue écologique, il y a le choix entre deux solutions :

  •   La combustion du charbon et du gaz naturel avec production d'anhydride carbonique (CO2) et d'autres polluants, ce qui peut donc amplifier "l'effet de serre" et le réchauffement de la planète ; ou bien
  •   Les centrales nucléaires, avec leur cortège de déchets nucléaires

Il n'est pas facile de choisir, mais si nous rejetons les deux options, il faut s'attendre à beaucoup moins de puissance disponible pour un coût beaucoup plus élevé.

Déchets Nucléaires

Le problème de la fission est qu'elle laisse des déchets très " chauds ", extrêmement radioactifs dans la solution d'uranium ou de plutonium. Ceci crée deux sérieuses difficultés:

  1.   Le problème du stockage des rebuts, connaissant leurs longues "vies", le temps de persistance de leur activité.

    Les déchets nucléaires sont très variés. Certains ont des vies courtes : leur radioactivité est intense, mais ils "grillent" en quelques heures, jours, semaines ou mois (leur risque est autre -- voyez plus loin ci-dessous). A l'inverse quelques déchets restent "chauds" (radioactifs) pendant des décennies ou des siècles. Leur radioactivité reste si intense qu'ils doivent être isolés du contact humain pendant un ou plusieurs milliers d'années. Au moins au début, les déchets nucléaires doivent être refroidis, parce que leur radioactivité génère toujours de la chaleur.

    On a proposé de couler les déchets nucléaires dans des scories vitrifiées et de les isoler dans des cavernes souterraines, mais les craintes demeurent : aucune activité humaine n'a jamais exigé un engagement à long terme aussi infaillible (de même pour les toxiques chimiques enterrés au lieu d'être détruits). Heureusement, la quantité de déchets nucléaires est assez restreinte. Les déchets de carburant nucléaire ont un poids à peu près identique au carburant lui-même, dont quelques tonnes peuvent fournir pendant des années l'électricité d'une ville.
        Ils doivent toujours être manipulés par télécommande, et ne doivent n'avoir aucune chance de souiller les eaux souterraines.

  2.   La possibilité de fonte du réacteur. Dans l'exploitation régulière d'une centrale nucléaire, les barres de combustible récupèrent une quantité appréciable de fragments de fission. Selon un programme cyclique, chaque barre est remplacée par une neuve et ses déchets radioactifs sont enlevés et stockés ; mais les barres contiennent constamment assez de déchets pour élever énormément la température et faire fondre la barre elle-même en cas d'échec de l'évacuation de la chaleur par la vapeur (ou l'eau chaude)..

Accidents Nucléaires

Bien sur, en cas d'incident dans le mécanisme de refroidissement les barres de contrôle s'abaissent automatiquement et toutes les réactions en chaîne sont immédiatement stoppées. Mais les déchets radioactifs au cœur du réacteur continuent a chauffer, de sorte que le refroidissement doit continuer à fonctionner quelques heures, sinon des jours. Le 28 March 1979, à la centrale nucléaire de Three Mile Island, à côté d'Harrisburg, Pennsylvanie, un dysfonctionnement mineur a entraîné une série d'erreurs, bloquant un moment à la fois le système principal et les systèmes de refroidissement de secours.

L'échauffement des déchets nucléaires atteignit le cœur du réacteur et créa (par réaction chimique) de l'hydrogène libre, ce qui compliqua encore la situation. Perdre un réacteur d'un milliard de dollars fut une catastrophe , mais le plus grand dommage fut probablement la perte de confiance du public en la sécurité de l'énergie nucléaire. Et encore, le réservoir ne présentait pas de brèche, et la deuxième ligne de défense, le lourd "bâtiment de retenue" était également resté intact.

Le puissant réacteur de Tchernobyl, près de Kiev, capitale de l'Ukraine, était d'une conception différente -- comme le réacteur original de Fermi, il utilisait une pile de carbone (graphite) pour ralentir les neutrons, avec des tuyaux à l'intérieur pour les barres de combustible, les barres de contrôle et l'eau de refroidissement. C'était un puissant réacteur, et n'avait pas été enfermé dans un bâtiment de retenue.

Le 25 Avril 1986, une imprudente expérience de technologie à basse puissance échappe aux contrôles. Le niveau de puissance ayant augmenté, le réservoir du réacteur explose, la vapeur et le graphite chauds (et le métal combustible de zirconium utilisé dans les barres de combustible) réagissent avec la vapeur chaude et l'oxygène atmosphérique et produisent un incendie violent qui atteint des altitudes élevées et dont les débris radioactifs se diffusent largement. Les pompiers essayèrent d'éteindre le feu, et beaucoup sont morts plus tard du rayonnement. Les villes et villages proches de Tchernobyl ont dû être évacués (ils restent inhabités en 1999) et les cultures d'une grande partie de l'Europe ont été souillées. Les restes du réacteur ont été plus tard ensevelis dans une épaisse coulée de béton, avec leurs déchets radioactifs laissés en place.

Depuis ces accidents, il n'y en a pas eu d'importants aux USA. Cependant, les accidents nucléaires restent gravés dans les mémoires. On continue à discuter sur le plan politique de son avenir . L'autre réacteur de l'île Three mile (et même celui de Tchernobyl) ont été remis en marche pour assurer à nouveau un apport énergétique.

Comme l'exemple de la France le montre, l'énergie nucléaire peut être la principale source de l'énergie d'une nation industrielle, mais elle exige un niveau élevé de compétence professionnelle et des dispositifs de sûreté soigneusement conçus. D'autre part, les accidents de Three Mile Island et Tchernobyl sont un rappel des risques propres à cette source d'énergie.

En savoir plus

Enormément d'informations , à imprimer ou à lire sur le web, peuvent vous détailler davantage les sujets présentés ici, avec du temps et de la motivation .Vous pourriez commencer par cliquez sur ce
site Web bien détaillé, comparable en taille à la collection entière de "Stargazers" !

    Une autre source riche en informations (portant également sur les armes nucléaires) dans "Megawatts and Megatons: A Turning Point in the Nuclear Age?" de Richard L. Garwin et Georges Charpak, 431 pp, $30, Knopf, New York, 2001.

    Une synthèse plus courte sur l'énergie nucléaire ( 4 pages :comparable à cette page Web) "Nuclear Fission: Atoms Unleashed", les principes New Scientist, 18 January 2003.


L'énergie nucléaire est aussi malheureusement à la base des armes les plus destructives
Pour en savoir plus sur eux, voir la section auxiliaire les armes nucléaires

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      Auteur et responsable :   Dr. David P. Stern
     Mail au Dr.Stern:   stargaze("at" symbol)phy6.org

Traduction française: Guy Batteur guybatteur(arobase )wanadoo.fr


Dernière mise à jour : 7 Février 2003