(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 ?

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

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. ]

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

• á les barres de contrôle sont en partie retirées.
• á la fission débutante chauffe les éléments combustibles,
• á 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
• á 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

    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.