Dossier: Nucléaire, cette énergie qui fait peur!

Au seul mot nucléaire, certains frissonnent. Reviennent à leur esprit les cours d'histoire et le champignon atomique ou encore le drame de Tchernobyl. Mais, savent-ils seulement d'où vient cette énergie qui leur fait tant peur et ce qu'il se passe derrière les murs d'une centrale nucléaire ? L'exposé qui suit tentera de répondre à ces deux questions.

L'énergie nucléaire est l'énergie issue du noyau des atomes, aussi bien lors de rayonnements radioactifs que lors de réactions de fission ou de fusion d'atomes, dans les centrales nucléaires ou les étoiles.

En 1896, le physicien français, Henri Becquerel découvre, un peu par hasard, le phénomène de radioactivité. Grâce à une plaque photographique oubliée dans un placard et impressionnée par de l'uranium, il déduit l'existence d'un rayonnement interne à ce métal qu'il baptise rayons uraniques. C'est Marie Curie qui, après de nombreuses études sur les propriétés de ces rayons, invente le nom de radioactivité (du latin radius : rayon). Lord Ernest Rutherford (physicien et chimiste anglais) explique ensuite en 1903, la nature de cette radioactivité.

L'année 1934 marque un tournant dans l'histoire de la physique nucléaire puisque c'est à cette époque que Irène (fille de Pierre et Marie Curie) et Frédéric Joliot-Curie découvrent la radioactivité artificielle en bombardant une feuille d'aluminium avec des particules, créant ainsi de nouveaux noyaux radioactifs. Le jeune couple montre ainsi que la radioactivité est un phénomène beaucoup plus général que ne l'avaient imaginé Pierre et Marie Curie, 35 ans plus tôt.

C'est en 1938 que deux chimistes allemands, Strassmann et Hahn mettent en évidence le phénomène de fission nucléaire, montrant qu'un neutron peut casser un noyau d'uranium en deux noyaux plus petits. À la même époque, trois astronomes, Hans Bethe, Carl von Weizsacker et Charles Critchfield élucident le mystère de l'énergie des étoiles, suggérant que celles-ci tirent leur formidable énergie de réactions internes de fusion nucléaire.

Arrive ensuite la seconde guerre mondiale qui va jouer un rôle capital dans le développement des recherches sur l'énergie nucléaire. Dès 1941, plusieurs physiciens émigrés aux États Unis évoquent la possibilité d'exploiter la puissance produite par la fission nucléaire. C'est ainsi que se met en place le fameux « Projet Manhattan » regroupant des milliers de techniciens, d'ingénieurs et de savants, tous convaincus du bien fondé de leurs recherches. En août 1945, deux bombes atomiques explosent à Hiroshima et Nagasaki mettant fin à la Seconde Guerre Mondiale.

Ce n'est qu'en 1951, encore aux Etats-Unis, qu'est produite la première électricité d'origine nucléaire. Mais, ce sont les soviétiques qui, trois ans plus tard, mettent en service la première centrale nucléaire de puissance significative. En France, le nucléaire connaît une évolution similaire. En 1945 est créé le Commissariat à l'Energie Atomique (CEA), qui entreprend aussitôt la construction de plusieurs réacteurs d'essai. En 1956 est mis en service le premier réacteur français producteur d'électricité. Au milieu des années 1960, l'énergie nucléaire aborde une ère d'industrialisation rapide, notamment aux Etats-Unis et en Europe. La crise de 1973 et la hausse brutale du prix du pétrole viennent encore renforcer la tendance. Dans le même temps, les craintes liées à l'exploitation de l'énergie nucléaire font naître, dans une partie de l'opinion publique des pays concernés, une opposition plus ou moins vive. En 2001, les 436 réacteurs nucléaires en fonctionnement dans 32 pays du monde fournissaient 17% de l'électricité mondiale.

La nature qui nous entoure
Vers 450 avant J.C., le philosophe grec Démocrite imagine que la matière est formé d'un assemblage de particules « insécables, impassibles et impérissables » : les atomes (du grec atomos : qui ne peut pas être coupé). Il faut pourtant attendre le tout début du XIXe siècle pour que la théorie atomique soit enfin scientifiquement formulée. C'est le physicien chimiste anglais, John Dalton qui, suite à des travaux sur l'absorption des gaz par l'eau, émet le premier l'idée que chaque élément chimique est constitué d'atomes différents de ceux des autres éléments. Quelques années plus tard (1869), le chimiste russe Dmitri Ivanovitch Mendeleiev établit un tableau recensant les atomes connus selon leur masse.

Mais, les atomes ne sont pas les parties ultimes de la matière. Ils sont eux-mêmes composés d'électrons, gravitant autour de noyaux. Les noyaux sont des sortes de sacs, remplis de billes de deux sortes : les protons et les neutrons. Electrons, protons et neutrons sont tous trois des particules minuscules, la première véhiculant de l'électricité négative, la seconde, de l'électricité positive et la troisième ne portant aucun électricité. Chaque atome contient autant d'électrons que de protons de manière à assurer sa neutralité électrique. Chacun contient également un nombre sensiblement égal de neutrons et de protons. Il existe des atomes simples comme celui de l'hydrogène dont le noyau est constitué d'un seul proton et d'autres plus complexes. C'est le cas de l'uranium qui contient 92 protons et 143 ou 146 neutrons selon les cas. Un même élément peut en effet être représenté par des atomes dont le nombre de neutrons diffère. On appelle ces atomes des isotopes de l'élément. Les isotopes de l'hydrogène, par exemple, ont un proton et un électron et ont zéro, un ou deux neutrons. Ce sont l'hydrogène léger (appelé souvent hydrogène tout court car c'est le plus répandu), l'hydrogène lourd ou deutérium, et le tritium.

La plupart des noyaux d'atomes qui existent dans la nature sont en quelque sorte immortels. Ils existent depuis des milliards d'années et seront toujours là dans des milliards d'années. On dit qu'ils sont stables. D'autres noyaux dits instables se désintègrent au bout d'un certain temps d'existence.

D'où vient cette différence ? Des forces en action au cœur de la matière. Les protons chargés positivement ont tendance à se repousser sous l'effet d'une force dite électrique. Seulement, neutrons et protons eux, s'attirent sous l'action d'une force très intense : la force nucléaire. Aussi longtemps que les deux forces en jeu se compensent, les noyaux atomiques sont stables mais, si le noyau présente un déséquilibre trop important entre le nombre de protons et le nombre de neutrons, la force électrique finit par l'emporter et le noyau par se désintégrer.

La radioactivité

L'unité de la radioactivité est le becquerel (Bq) du nom du physicien français. 1 Bq correspond à la transformation d'un atome par seconde.

Les rayons cosmiques (rayons qui arrivent sur Terre en provenance de l'Univers), l'écorce terrestre, l'eau, l'air, les matériaux, le corps humain, les aliments, etc. sont à l'origine de l'irradiation permanente que nous subissons. Le lait, par exemple, a une activité de 50 Bq par kilo. Cette activité est très faible et totalement naturelle. L'activité d'un enfant de 5 ans est de 500 Bq et celle d'un adulte de 70 kilos de 10 000 Bq.

Puisque les noyaux instables se désintègrent, le nombre d'atomes naturellement radioactifs diminue au fil du temps. La période radioactive (temps nécessaire à la désintégration de la moitié des noyaux radioactifs d'un élément) varie entre 0,00000001 seconde et plusieurs millions d'années. Ainsi, la radioactivité naturelle est utilisée comme outil de datation. En évaluant la quantité d'atomes radioactifs dans un échantillon, les scientifiques peuvent en effet estimer l'âge de fossiles, etc.
 

Il existe deux catégories de rayonnements radioactifs :

Les rayonnements a (alpha) correspondent à l'émission de noyaux d'hélium. Les particules a sont très ionisantes (voir encadré). Une simple feuille de papier suffit à les arrêter et elles sont donc dangereuses uniquement en cas d'absorption (inhalation, ingestion, etc.).

ENCADRÉ : L'IONISATION

Une particule ionisante est une particule qui arrache, sur son passage, des électrons aux atomes qu'elle rencontre. Certains électrons sont éjectés et captés par des atomes voisins créant des ions d'une durée de vie très courte. Les électrons reprennent rapidement leurs places, libérant l'énergie reçue pendant l'opération sous forme de chaleur. Durant leur existence, certains ions peuvent réagir avec la matière environnante et créer de nouvelles combinaisons chimiques.

Les ions créés par la pénétration dans les tissus vivants de rayonnements radioactifs sont principalement nocifs pour l'ADN et les enzymes, des structures indispensables à la vie. De nombreux pionniers de l'exploration de la radioactivité en ont fait l'expérience à leurs dépends (brûlures superficielles pour Becquerel, leucémie pour Marie Curie, etc.). Mais, les cellules les plus sensibles à ces rayonnements sont les cellules les moins différenciées. Ainsi, on peut les utiliser pour traiter et détruire des cellules cancéreuses (curiethérapie et radiothérapie).

2) Et l'Homme réinvente la radioactivité

Fission et fusion nucléaire

La fission spontanée existe mais elle est très rare. Le seul élément naturellement fissile est l'uranium 235. Sous l'impact d'un neutron, le noyau se trouve déséquilibré et se transforme en deux noyaux plus légers mais toujours instables appelés produits de fission. Au moment du choc avec le neutron, ces produits de fission sont éjectés à grande vitesse. Les noyaux issus de fission sont dans la plupart des cas radioactifs mais leur période est assez courte. La fission dégage une énergie gigantesque. 1 gramme d'uranium 235 libère ainsi autant d'énergie que la combustion de plusieurs tonnes de charbon. Les neutrons libérés par la fission ont une très grande énergie. Si on parvient à les ralentir convenablement, ils peuvent induire de nouvelles fissions et la réaction continue et s'accélère. Dans les réacteurs nucléaires, la réaction s'auto-entretient. Mais, si on laisse augmenter le nombre de neutrons présents, la réaction peut devenir explosive, c'est le cas de la bombe atomique (bombe A).

Il arrive également que deux ou plusieurs noyaux atomiques légers s'unissent pour former un noyau lourd. On dit alors qu'il y a fusion nucléaire.

La fusion nucléaire est plus difficile à réaliser que la fission car ici, il faut rapprocher des atomes si près l'un de l'autre qu'ils vont se coller. Pour cela, il est nécessaire de porter la matière à une très haute température (environ 100 millions de degrés), sous une très forte pression. L'énergie libérée par ce phénomène est 10 fois supérieure à celle libérée lors de la fission. D'autre part, la fusion nucléaire ne produit pas de déchets radioactifs puisque les produits de fusion sont stables. L'énergie des étoiles provient de cycles de réactions de fusion nucléaires. La fusion est aussi exploitée dans la bombe thermonucléaire (bombe H) pour laquelle les bombes A servent d'allumettes car leur explosion permet d'atteindre les températures nécessaires au déclenchement de la fusion.

ENCADRÉ : EQUIVALENCE MASSE-ÉNERGIE

Que celui qui n'a jamais entendu parler de la formule d'Albert Einstein (1905) : E = mc2 se lève. Que celui qui sait ce qu'elle signifie se lève aussi. Ce qui se cache derrière cette formule mystérieuse c'est que toute modification de masse (m) s'accompagne d'une libération d'énergie (E). L'énergie qui apparaît lors de réactions nucléaires provient donc du phénomène que les physiciens connaissent sous le terme d'équivalence masse-énergie. Lorsqu'un noyau atomique se transforme en deux noyaux plus petits, il y a modification de masse et donc libération d'énergie.

L'exploitation de l'energie nucléaire

Un combustible est, par définition, une matière qui fournit de la chaleur en brûlant. Les combustibles les plus connus sont le bois, le charbon, ou le pétrole. L'uranium utilisé dans les réacteurs des centrales nucléaires est appelé combustible car il dégage de la chaleur, non pas par réelle combustion mais par fission.

L'uranium naturel, sous forme de minerai, est un mélange de deux isotopes : l'uranium 238, de très loin le plus abondant, et l'uranium 235, sous forme de traces. Or, c'est précisément l'uranium 235, qui subit la fission nucléaire. L'enrichissement est l'opération qui consiste à augmenter la proportion d'uranium 235 dans la masse d'uranium.

La « combustion » d'une pastille d'uranium de sept grammes peut libérer autant d'énergie qu'une tonne de charbon. Le cœur d'un réacteur nucléaire, contient plusieurs millions de pastilles. Chacune va y séjourner pendant trois ou quatre ans. Des transformations s'opèrent pendant cette période : consommation progressive de l'uranium 235 et apparition de produits de fission. Au bout d'un certain temps, le combustible doit donc être retiré du réacteur. Il est renouvelé par tiers lors des « arrêts de tranche ».

2) Le fonctionnement d'une centrale nucléaire

Deux procédés sont utilisés pour augmenter les chances de rencontres entre noyaux fissiles et neutrons :

L'enrichissement de l'uranium dont nous avons déjà parlé plus haut

La fission de l'uranium dans le cœur du réacteur nucléaire fournit de l'énergie sous forme de chaleur, générant de la vapeur d'eau. Celle-ci entraîne une turbine et convertit ainsi l'énergie thermique en énergie mécanique. La turbine entraîne, à son tour, un alternateur, qui convertit l'énergie mécanique en électricité.

Toutes ces opérations sont permises par les 3 circuits d'eau de la centrale nucléaire. Le circuit primaire dans lequel circule un fluide caloporteur récupère la chaleur dégagée par la fission de l'uranium. Le fluide caloporteur est un liquide (eau ou eau lourde) ou un gaz (gaz carbonique ou hélium) qui circule à grande vitesse au contact des éléments du combustible. Il doit être capable de bien conduire la chaleur et ne pas trop absorber de neutrons. Le circuit secondaire, indépendant du premier, reçoit cette chaleur et produit de la vapeur d'eau pour faire tourner la turbine. Le circuit de refroidissement, quant à lui, fait circuler de l'eau froide pour condenser à nouveau la vapeur du circuit secondaire. Ces trois circuits opèrent des échanges thermiques entre eux tout en restant indépendants, ce qui évite toute dispersion de la substance radioactive à l'extérieur de la centrale.

Le cœur du réacteur est constitué d'une cuve en acier contenant le combustible et l'eau du circuit primaire. Des barres de contrôles (bore ou cadmium), introduites par le couvercle de la cuve dans le cœur du réacteur, permettent de régler la puissance de la réaction en chaîne. Elles ont en effet la propriété de « manger » les neutrons. L'immersion totale des barres dans le cœur du réacteur permet ainsi de stopper en deux secondes la réaction en chaîne.

L'ensemble est enfermé dans une enceinte en béton étanche qui assure le confinement.
 

On appelle déchets radioactifs (ou déchets nucléaires), toute matière dont on ne prévoit pas d'utilisation ultérieure et dont le niveau d'activité ne permet pas un rejet direct dans l'environnement.

Les installations nucléaires ne sont pas les seules productrices de déchets radioactifs. C'est aussi le cas des hôpitaux, de certaines industries, des centres de recherche et des universités.

Dans les centrales nucléaires, lors de l'arrêt de tranche, un tiers du combustible usé est retiré et renouvelé. Comme il est très radioactif, l'opération de transfert s'effectue sous eau : directement de la cuve à une piscine de refroidissement, près du réacteur. L'eau permet d'une part de piéger les rayonnements et d'autre part de refroidir les pastilles. Elles y restent au moins un an. Leur activité diminue naturellement : elle est douze fois plus faible après un mois de séjour et trente fois plus faible cinq mois plus tard.

Lorsque le combustible est refroidi et qu'il a perdu une bonne partie de sa radioactivité, il est inséré dans un conteneur de béton ou d'acier. Cette opération s'effectue également sous l'eau. Les conteneurs sont ensuite acheminés vers l'usine de retraitement de la Hague (Manche).

On distingue trois catégories de déchets, en fonction de la période radioactive, du niveau d'activité et du type de rayonnement émis. 90% d'entre eux ont une vie courte et une activité faible à moyenne (environ 100 Bq par gramme de matière). Les 10% restant sont partagés entre des déchets à vie longue et grande activité et des déchets à très faible activité. L'ensemble des déchets radioactifs produits chaque année représente des quantités relativement faibles en volume : un kilo par habitant en France, contre 2 500 kilos pour les déchets industriels et domestiques.

Conclusion

« Dans la vie, rien n'est à craindre, tout est à comprendre. » Marie Curie

Sources