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8/3/2019 Www.futura Sciences.com l Energie Nucleaire de a a z 16-09-2002

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Lnergie nuclaire de A Z - 16/09/2002

Au seul mot nuclaire, certains frissonnent.Reviennent leur esprit les cours dhistoireet le champignon atomique ou encore le

drame de Tchernobyl. Mais, savent-ils seulementdo vient cette nergie qui leur fait tant peur etce quil se passe derrire les murs dunecentralenuclaire ? Ce dossier tentera de rpondre ces

deux questions.

Quest-ce que lnergie nuclaire ? DR

Pour mieux comprendre le nuclaire, revenons surson histoire, sa production, le fonctionnement descentrales et les notions lies ce domaine (fusion,ssion, combustible...).

Lnergie nuclaire est lnergie issue du noyaudes atomes, aussi bien lors de rayonnements ra-dioactifs que lors de ractions dession ou de fusiondatomes, dans les centrales nuclaires ou lestoiles.Retour sur lHistoire de cette nergie.

Nathalie Mayer

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La radioactivit, depuis sa dcouverte jusqu sa production. DR

Dcouverte de la radioactivit en 1896

En 1896, le physicien franais, Henri Becquerel

dcouvre, un peu par hasard, le phnomne deradioactivit. Grce une plaque photographiqueoublie dans un placard et impressionne par deluranium, il dduit lexistence dun rayonnementinterne ce mtal quil baptise rayons uraniques.Cest Marie Curie qui, aprs de nombreuses tudessur les proprits de ces rayons, invente le nom deradioactivit (du latin radius : rayon). Lord ErnestRutherford (physicien et chimiste anglais) expliqueensuite en 1903, la nature de cette radioactivit.

Henri Becquerel, dcouvreur de la radioactivit. Domaine public

1934 : dcouverte de la radioactivitartificielle

Lanne 1934 marque un tournant dans lhistoire dela physique nuclaire puisque cest cette poqueque Irne (lle de Pierre et Marie Curie) et Frdric

Joliot-Curie dcouvrent la radioactivit articielleen bombardant une feuille daluminium avec desparticules, crant ainsi de nouveaux noyaux radioac-tifs. Le jeune couple montre ainsi que la radioactivitest un phnomne beaucoup plus gnral que nelavaient imagin Pierre et Marie Curie, trente-cinqans plus tt.

Nathalie Mayer


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Irne et Frdric Joliot-Curie, dcouvreurs de la radioactivit articielle. DR

La fission nuclaire

Cest en 1938 que deux chimistes allemands, Strass-

mann et Hahn, mettent en vidence le phnomnede ssion nuclaire, montrant quun neutron peutcasser un noyau duranium en deux noyaux pluspetits. la mme poque, trois astronomes, HansBethe, Carl von Weizsacker et Charles Critcheldlucident le mystre de lnergie des toiles, sugg-rant que celles-ci tirent leur formidable nergie deractions internes de fusion nuclaire.

La seconde guerre mondiale et lenuclaire

Arrive ensuite la seconde guerre mondiale qui vajouer un rle capital dans le dveloppement desrecherches sur lnergie nuclaire. Ds 1941, plu-sieurs physiciens migrs aux tats-Unis voquentla possibilit dexploiter la puissance produite parla ssion nuclaire. Cest ainsi que se met en placele fameux Projet Manhattan regroupant desmilliers de techniciens, dingnieurs et de savants,tous convaincus du bien fond de leurs recherches.En aot 1945, deux bombes atomiques explosent

Hiroshima et Nagasaki mettant n la secondeguerre mondiale.

Les premires centrales nuclaires

Ce nest quen 1951, encore aux tats-Unis, questproduite la premire lectricit dorigine nuclaire.Mais, ce sont les Sovitiques qui, trois ans plus tard,mettent en service la premire centrale nuclaire

de puissance signicative. En France, le nuclaireconnat une volution similaire. En 1945 est crle Commissariat lnergie atomique (CEA), quientreprend aussitt la construction de plusieursracteurs dessai. En 1956 est mis en service le pre-mier racteur franais producteur dlectricit. Aumilieu des annes 1960, lnergie nuclaire abordeune re dindustrialisation rapide, notamment auxtats-Unis et en Europe. La crise de 1973 et la haussebrutale du prix duptrole viennent encore renforcerla tendance. Dans le mme temps, les craintes lies

lexploitation de lnergie nuclaire font natre, dansune partie de lopinion publique des pays concerns,une opposition plus ou moins vive. En 2001, les 436racteurs nuclaires en fonctionnement dans 32pays du monde fournissaient 17% de llectricitmondiale. En 2010, la France produisait 78 % deson lectricit par le nuclaire.

Vers 450 avant J.-C., le philosophe grec Dmocriteimagine que la matire est forme dun assem-blage de particules inscables, impassibles etimprissables : les atomes (du grecatomos : quine peut pas tre coup). Il faut pourtant attendrele tout dbut du XIXe sicle pour que la thorieatomique soit enn scientiquement formule.

Nathalie Mayer


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Reprsentation chimique dun noyau atomique. PerOx, Wkipdia, domainepublic

Cest le physicien chimiste anglais John Dalton qui,suite des travaux sur labsorption des gaz par leau,met le premier lide que chaque lment chimiqueest constitu datomes diffrents de ceux des autreslments. Quelques annes plus tard (1869), lechimiste russe Dmitri Ivanovitch Mendeleiev ta-blit un tableau recensant les atomes connus selonleur masse.

Les caractristiques de latome

Mais, les atomes ne sont pas les parties ultimes de lamatire. Ils sont eux-mmes composs dlectrons,gravitant autour de noyaux. Les noyaux sont dessortes de sacs, remplis de billes de deux sortes :les protons et les neutrons. lectrons, protons etneutrons sont tous trois des particules minuscules,la premire vhiculant de llectricit ngative, ladeuxime de llectricit positive et la troisime neportant aucun lectricit. Chaque atome contient

autant dlectrons que de protons de manire as-surer sa neutralit lectrique. Chacun contient ga-

lement un nombre sensiblement gal de neutronset de protons. Il existe des atomes simples commecelui de lhydrogne dont le noyau est constitudun seul proton et dautres plus complexes. Cestle cas de luranium qui contient 92 protons et 143ou 146 neutrons selon les cas. Un mme lmentpeut en effet tre reprsent par des atomes dont lenombre de neutrons diffre. On appelle ces atomesdes isotopes de llment. Les isotopes de lhydro-

gne, par exemple, ont un proton et un lectron etont zro, un ou deux neutrons. Ce sont lhydrognelger (appel souvent hydrogne tout court car cestle plus rpandu), lhydrogne lourd ou deutrium,et le tritium.

La structure de latome. Futura-Sciences

Les noyaux datomes stables et instables

La plupart des noyaux datomes qui existent dans lanature sont en quelque sorte immortels. Ils existentdepuis des milliards dannes et seront toujoursl dans des milliards dannes. On dit quils sontstables. Dautres noyaux dits instables se dsint-grent au bout dun certain temps dexistence.

Do vient cette diffrence ? Des forces en actionau cur de la matire. Les protons chargs posi-

tivement ont tendance se repousser sous leffetdune force dite lectrique. Seulement, neutrons et

Nathalie Mayer


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protons eux, sattirent sous laction dune force trsintense : la force nuclaire. Aussi longtemps queles deux forces en jeu se compensent, les noyauxatomiques sont stables mais, si le noyau prsenteun dsquilibre trop important entre le nombre deprotons et le nombre de neutrons, la force lectriquenit par lemporter et le noyau par se dsintgrer.

La radioactivit na pas t invente par lHomme.

Il existe, dans la nature, une cinquantaine datomescapables de se modier en mettant des rayonne-ments radioactifs. Mais lHomme a ensuite pu re-produire cette radioactivit.

Noyau atomique de lhlium. Frank H, Wikipdia, domaine public

Radioactivit : les lois de la nature

La radioactivit est prsente dans la nature. Celasignie que les noyaux instables se transformentspontanment en librant des particules dont le uxest appel rayonnement radioactif. La radioactivitest une raction nuclaire spontane.

Lunit de la radioactivit est le becquerel (Bq) dunom du physicien franais. Un Bq correspond latransformation dun atome par seconde.

Lesrayons cosmiques (rayons qui arrivent sur Terreen provenance de lunivers), lcorce terrestre, leau,lair, les matriaux, le corps humain, les aliments,etc. sont lorigine de lirradiationpermanente quenous subissons. Le lait, par exemple, a une acti-

vit de 50 Bq par kilo. Cette activit est trs faibleet totalement naturelle. Lactivit dun enfant de 5ans est de 500 Bq et celle dun adulte de 70 kilos de10.000 Bq.

Puisque les noyaux instables se dsintgrent, lenombre datomes naturellement radioactifs diminueau l du temps. La priode radioactive (temps n-cessaire la dsintgration de la moiti des noyauxradioactifs dun lment) varie entre 0,00000001seconde et plusieurs millions dannes. Ainsi, la

radioactivit naturelle est utilise comme outil dedatation. En valuant la quantit datomes radioac-tifs dans un chantillon, les scientiques peuventen effet estimer lge de fossiles, etc.

Dsintgration radioactive. Futura-Sciences

Les rayonnements radioactifs alpha,btaet gamma

Il existe deux catgories de rayonnements radioac-tifs :

Nathalie Mayer


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Les rayonnements a (alpha) correspondent lmission de noyaux dhlium. Les parti-cules a sont trs ionisantes (voir encadr).Une simple feuille de papier sut lesarrter et elles sont donc dangereuses uni-quement en cas dabsorption (inhalation,ingestion, etc.) ;

Les rayonnements b (bta) correspondent des missions de particules telles que les

lectrons. Le rayonnement b est moins ioni-sant et donc plus pntrant. Il est dangereuxpour la peau. Une paisseur daluminiumest cette fois ncessaire pour larrter.

Rayonnements alpha et bta. DR

Des rayonnements g (gamma) accompagnent sou-vent les radioactivits a et b. Il sagit l de lmissiondephotons (particules de lumire) trs nergtiques.Ils pntrent facilement la matire et interagissentavec les atomes, provoquant lmission dlectronsfortement ionisants. Le rayonnement g est le plusdangereux pour lHomme. Il ne peut tre stopp quepar dimportantes paisseurs de bton ou de plomb.

Les ions crs par la pntration dans les tissusvivants de rayonnements radioactifs sont princi-palement nocifs pour lADN et les enzymes, desstructures indispensables la vie. De nombreuxpionniers de lexploration de la radioactivit enont fait lexprience leurs dpends (brlures su-percielles pour Becquerel, leucmie pour Marie

Curie, etc.). Mais, les cellules les plus sensibles ces rayonnements sont les cellules les moins diff-rencies. Ainsi, on peut les utiliser pour traiter etdtruire des cellules cancreuses (curiethrapie etradiothrapie).

Et lHomme rinvente la radioactivit

Si la radioactivit existe ltat naturel, lHomme arapidement appris produire des noyaux radioactifsen bombardant des noyaux stables avec des parti-cules a. La radioactivit articielle provient ga-lement de lutilisation de rayonnements des nsmdicales, industrielles ou militaires. Lescentralesnuclairesqui produisent de llectricit produisentgalement de la radioactivit. Toutefois, prs desdeux tiers de la radioactivit reue par le public enFrance reste dorigine naturelle.

Quand on parle de nuclaire, on entend souventles mots fusion et ssion. Quelle est ladiffrence ? Quels vnements chimiques sontmis en uvre ?

Nathalie Mayer


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Exemple de fusion nuclaire : lacombustion destoiles. projet.iter.free.fr

La fission nuclaire

La ssion nuclaire est lclatement dunnoyau ins-table en deux noyaux plus lgers et quelques parti-cules lmentaires. Cet clatement saccompagnedun dgagement de chaleur, cest dire dnergie(voir encadr).

La ssion nuclaire. Futura-Sciences

La ssion spontane existe mais elle est trs rare.Le seul lment naturellement ssile est luranium235. Sous limpact dunneutron, lenoyau se trouvedsquilibr et se transforme en deux noyaux pluslgers mais toujours instables appels produits dession. Au moment du choc avec le neutron, cesproduits de ssion sont jects grande vitesse. Lesnoyaux issus de ssion sont dans la plupart des cas

radioactifs mais leur priode est assez courte. Lassion dgage une nergie gigantesque. Un grammeduranium 235 libre ainsi autant dnergie que lacombustion de plusieurs tonnes de charbon. Lesneutrons librs par la ssion ont une trs grandenergie. Si on parvient les ralentir convenable-ment, ils peuvent induire de nouvelles ssions et laraction continue et sacclre. Dans les racteursnuclaires, la raction sauto-entretient. Mais, si onlaisse augmenter le nombre de neutrons prsents,la raction peut devenir explosive, cest le cas de la

bombe atomique (bombe A).La fusion nuclaire

Il arrive galement que deux ou plusieurs noyauxatomiques lgers sunissent pour former un noyaulourd. On dit alors quil y a fusion nuclaire.

La fusion nuclaire. Futura-Sciences

La fusion nuclaire est plus dicile raliser que

la ssion car ici, il faut rapprocher des atomes siprs lun de lautre quils vont se coller. Pour cela, il

Nathalie Mayer


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est ncessaire de porter la matire une trs hautetemprature (environ 100 millions de degrs), sousune trs forte pression. Lnergie libre par ce ph-nomne est dix fois suprieure celle libre lors dela ssion. Dautre part, la fusion nuclaire ne produitpas de dchets radioactifs puisque les produits defusion sont stables. Lnergie des toiles provient decycles de ractions de fusion nuclaires. La fusionest aussi exploite dans la bombe thermonuclaire

(bombe H) pour laquelle les bombes A servent dal-lumettes car leur explosion permet datteindre lestempratures ncessaires au dclenchement de lafusion.

Dans les centrales nuclaires, cest luranium 235qui est le plus souvent utilis commecombustible.Mais quest-ce que quun combustible nuclaire ?

Luranium 235, combustible nuclaire. DR

Combustible nuclaire : pourquoiluranium ?

Les principaux atomes ssiles sont luranium 233,luranium 235, le plutonium 239 et le plutonium241. Seul luranium 235 se trouve ltat naturel.Cest donc le plus souvent lui qui est utilis commecombustible dans les centrales nuclaires.

Un combustible est, par dnition, une matire quifournit de la chaleur en brlant. Les combustiblesles plus connus sont lebois, le charbon, ou leptrole.Luranium utilis dans les racteurs des centralesnuclaires est appel combustible car il dgage dela chaleur, non pas par relle combustion mais parssion.

Caractristiques de luranium

Luranium naturel, sous forme de minerai, est un

mlange de deux isotopes : luranium 238, de trsloin le plus abondant, et luranium 235, sous formede traces. Or, cest prcisment luranium 235, quisubit la ssion nuclaire. Lenrichissement est lop-ration qui consiste augmenter la proportion dura-nium 235 dans la masse duranium.

La combustion dune pastille duranium de 7grammes peut librer autant dnergie qu1 tonne decharbon. Le cur dun racteur nuclaire, contientplusieurs millions de pastilles. Chacune va y sjour-ner pendant trois ou quatre ans. Des transforma-tions soprent pendant cette priode : consomma-tion progressive de luranium 235 et apparition deproduits de ssion. Au bout dun certain temps, lecombustible doit donc tre retir du racteur. Il estrenouvel par tiers lors des arrts de tranche .

Si lnergie nuclaire fait parfois peur, cestquon ne connat pas son mode de production.Voici quelques prcisions sur le fonctionnementdes centrales nuclaires et le devenir des dchetsproduits.

Nathalie Mayer


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Centrales nuclaires : comment fonctionnent-elles ? DR

Centrale nuclaire : comment produit-onde llectricit ?

La production dlectricit dans la centrale nu-claire est base sur des ractions de ssion quisautoentretiennent et produisent un dgagementpermanent dnergie : les neutrons librs lors dela ssion doivent pouvoir aller frapper leur tourdautres noyaux ssiles, suivant le processus de laraction en chane.

Deux procds sont utiliss pour augmenter leschances de rencontres entre noyaux ssiles et neu-trons :

lenrichissement de luranium dont nousavons dj parl dans la page prcdente ;

le ralentissement des neutrons, par unesubstance qui a la proprit de rduire leur

vitesse, sans les absorber : le modrateur

Le ralentissement des neutrons par unmodrateur

Le rle du modrateur est donc de ralentir les neu-trons qui seraient sans cela trop nergtiques pourprovoquer ecacement de nouvelles ssions. Lesneutrons issus de ssions, du fait de leur grande

nergie, se dplacent grande vitesse (20.000 km/s).Ils passent alors trop vite proximit des atomesduranium et les ractions de ssion sont diciles obtenir. Do la ncessit de les ralentir considra-blement, (jusqu une vitesse de lordre de 2 km/s).

Les neutrons sont freins lorsquils traversent unematire qui est compose datomes dont les noyauxne les absorbent pas. En effet, comme des boules sedplaant sur une table de billard o se trouventdautres boules, les neutrons perdent de la vitesse

en rebondissant sur les noyaux. Ce ralentissementse produit rapidement lorsque les obstacles sontdes noyaux lgers de masse voisine des neutronstels que ceux dhydrogne. Les modrateurs usuelssont le graphite, leauordinaire et leau lourde. Leaulourde, constitue demolcules deau dont latomedhydrogne est remplac par un atome de deut-rium, plus lourd que lhydrogne, a les meilleuresqualits recherches dans un modrateur : elleralentit bien les neutrons et les absorbe peu. Mal-heureusement, sa fabrication cote cher.

La ssion de luranium dans le cur du racteurnuclaire fournit de lnergie sous forme de chaleur,gnrant de la vapeur deau. Celle-ci entrane uneturbine et convertit ainsi lnergie thermique ennergie mcanique. La turbine entrane, son tour,un alternateur, qui convertit lnergie mcaniqueen lectricit.

Nathalie Mayer


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Anatomie dune centrale nuclaire

Circuit deau dune centrale nuclaire. Futura-Sciences

Toutes ces oprations sont permises par les troiscircuits deau de la centrale nuclaire. Le circuitprimaire dans lequel circule unuide caloporteurrcupre la chaleur dgage par la ssion de lura-nium. Le uide caloporteur est un liquide (eau ou

eau lourde) ou un gaz (gaz carbonique ou hlium)qui circule grande vitesse au contact des lmentsducombustible. Il doit tre capable de bien conduirela chaleur et ne pas trop absorber de neutrons. Lecircuit secondaire, indpendant du premier, reoitcette chaleur et produit de la vapeur deau pour fairetourner la turbine. Le circuit de refroidissement,quant lui, fait circuler de leau froide pour conden-ser nouveau la vapeur du circuit secondaire. Cestrois circuits oprent des changes thermiques entreeux tout en restant indpendants, ce qui vite toutedispersion de la substance radioactive lextrieurde la centrale.

Le cur du racteur est constitu dune cuve enacier contenant le combustible et leau du circuit pri-maire. Des barres de contrles (bore ou cadmium),introduites par le couvercle de la cuve dans le curdu racteur, permettent de rgler la puissance dela raction en chane. Elles ont en effet la propritde manger les neutrons. Limmersion totale desbarres dans le cur du racteur permet ainsi destopper en deux secondes la raction en chane.

Lensemble est enferm dans une enceinte enbtontanche qui assure le connement.

Les dchets nuclaires

Toute activit humaine produit des rsidus. Lutili-sation des proprits radioactives de certains l-ments, que ce soit pour la production dlectricitou dans les domaines de la sant, de lindustrie ou

de la recherche, ne fait pas exception cette rgle.

On appelle dchets radioactifs (ou dchets nu-claires), toute matire dont on ne prvoit pas duti-lisation ultrieure et dont le niveau dactivit nepermet pas un rejet direct dans lenvironnement.

Les installations nuclaires ne sont pas les seulesproductrices de dchets radioactifs. Cest aussi le casdes hpitaux, de certaines industries, des centresde recherche et des universits.

Dans les centrales nuclaires, lors de larrt detranche, un tiers du combustible us est retir etrenouvel. Comme il est trs radioactif, lopra-tion de transfert seffectue sous eau : directementde la cuve une piscine de refroidissement, prsdu racteur. Leau permet dune part de piger lesrayonnements et dautre part de refroidir les pas-tilles. Elles y restent au moins un an. Leur activitdiminue naturellement : elle est douze fois plusfaible aprs un mois de sjour et trente fois plusfaible cinq mois plus tard.

Lorsque le combustible est refroidi et quil a perduune bonne partie de sa radioactivit, il est insrdans un conteneur de bton ou dacier. Cette opra-tion seffectue galement sous leau. Les conteneurssont ensuite achemins vers lusine de retraitementde la Hague (Manche).

On distingue trois catgories de dchets, en fonctionde la priode radioactive, du niveau dactivit et dutype de rayonnement mis. Il faut savoir que 90 %

dentre eux ont une vie courte et une activit faible moyenne (environ 100 Bq par gramme de matire).

Nathalie Mayer


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Les 10 % restant sont partags entre des dchets vie longue et grande activit et des dchets trsfaible activit. Lensemble des dchets radioactifsproduits chaque anne reprsente des quantitsrelativement faibles en volume : 1 kilo par habi-tant en France, contre 2.500 kilos pour les dchetsindustriels et domestiques.

Le df lanc aux chercheurs pour les annes

venir est de parvenir mettre le Soleil en bou-teille. En dautres mots, de parvenir matriser lafusion nuclaire pour produire de lnergie propreet quasi-inpuisable partir dhydrogne, la faondes toiles.

Mettre le Soleil en bouteille ? Nasa/LMSAL

Le projet hante les esprits de la communaut scienti-que depuis plus de quarante ans mais, le cot dunracteur fusion nuclaire a longtemps refroidiles enthousiasmes. Lampleur du projet a pouss lacommunaut scientique internationale sallierau sein du projet Iter ( chemin en latin) en 1985pour construire la machine exprimentale devant

prouver que le rve peut devenir ralit. Dbut juin2002, la France (avec lEspagne et le Japon), rejoi-

gnant ainsi le Canada, a prsent ociellement sacandidature pour laccueil dun prototype de rac-teur thermonuclaire. Cest le site de cadarachequi a t choisi, les chercheurs devraient pouvoirconclure, dici 2025, sur la capacit de la fusion deconstituer une option nergtique du futur.

Dans la vie, rien nest craindre, tout est comprendre. Marie Curie

Sources

Nathalie Mayer

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www.futura sciences.com l energie nucleaire de a a z 16-09-2002

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