Le nucléaire

« Introduction Bonjour à tous.

Aujourd’hui, nous allons vous présenter un exposé consacré à l’énergie nucléaire. L’énergie nucléaire est une forme d’énergie libérée par le noyau des atomes.

Elle occupe aujourd’hui une place importante dans la production d’électricité, notamment en France, où elle fournit une grande partie de l’énergie consommée. Cette énergie, très puissante, repose sur des phénomènes physiques que l’on peut étudier à différentes échelles, du noyau atomique jusqu’au fonctionnement d’une centrale nucléaire. Cependant, elle soulève également de nombreuses questions, notamment sur le plan environnemental et énergétique. Nous pouvons donc nous poser la question suivante : comment l’énergie libérée par le noyau des atomes permet-elle de produire de l’électricité dans les centrales nucléaires, et quels enjeux cette énergie soulève-t-elle aujourd’hui ? Pour répondre à cette problématique, nous verrons dans une première partie d’où vient l’énergie nucléaire à l’échelle du noyau atomique.

Dans une deuxième partie, nous expliquerons comment les centrales nucléaires transforment cette énergie en électricité. Enfin, dans une troisième partie, nous analyserons les avantages, les limites et les perspectives d’avenir de cette source d’énergie. I.

Les fondements physiques de l’énergie nucléaire 1.

La composition du noyau atomique Commençons par étudier la matière à l’échelle atomique.

Pour comprendre l’énergie nucléaire, il faut d’abord s’intéresser à la structure de l’atome. L’atome est constitué d’un noyau central, autour duquel gravitent des électrons.

Le noyau est extrêmement petit, mais il concentre presque toute la masse de l’atome.

À titre de comparaison, la taille d’un atome est de l’ordre de 10⁻¹⁰ mètre, alors que celle du noyau est de l’ordre de 10⁻¹⁵ mètre : le noyau est donc environ 100 000 fois plus petit que l’atome. Le noyau contient deux types de particules, appelées ensemble nucléons : ●​ les protons, chargés positivement ; ●​ les neutrons, électriquement neutres. Un noyau est caractérisé par deux nombres : ●​ Z, le numéro atomique, qui correspond au nombre de protons.

C'est lui qui détermine l'identité chimique de l'élément.

Par exemple, si Z=6, c'est du carbone.

Si Z=92, c'est de l'uranium. ●​ A, le nombre de masse, qui correspond au nombre total de nucléons, c'est-à-dire la somme des protons et des neutrons. Les masses des neutrons et protons sont très supérieures à celle des électrons La masse des électrons est donc négligeable comparée à celle du noyau.

La masse de l’atome est donc concentrée dans son noyau.

Bien que la masse de ces particules soit infime, de l'ordre de 1,67 × 10⁻²⁷ kilogrammes, c'est au sein de ce noyau que réside l'énergie qui alimente nos centrales. 2.

Le défaut de masse et l’énergie de liaison Pour comprendre pourquoi l’énergie nucléaire peut libérer autant d’énergie, il faut s’intéresser au noyau de l’atome.​ Le noyau est formé de protons et de neutrons, appelés ensemble nucléons. Quand ces nucléons s’assemblent pour former un noyau, ils sont maintenus ensemble par une force très puissante, appelée interaction forte.

Cette liaison entre les nucléons s’accompagne d’une libération d’énergie : on parle d’énergie de liaison. C’est à ce moment qu’intervient une notion importante : le défaut de masse.

En effet, la masse d’un noyau formé est légèrement plus faible que la somme des masses des nucléons pris séparément. Ce défaut de masse correspond à une énergie libérée lors de la formation du noyau, appelée énergie de liaison.

Einstein a montré que masse et énergie sont liées par la relation : E = mc² ou: ●​ E est l’énergie en joules, ●​ m la masse transformée en kilogrammes, ●​ c la vitesse de la lumière, soit environ 3,0×1083,0×108 m/s. Comme c² est très grand, donc même une très petite perte de masse peut produire une très grande quantité d’énergie.

Cela explique la puissance de l’énergie nucléaire. La stabilité d’un noyau dépend donc d’un équilibre entre : ●​ l’interaction forte, qui maintient les nucléons unis ; ●​ la répulsion électrique entre les protons, qui tend à les écarter. 3.

Isotopes, instabilité et radioactivité Pour comprendre l’énergie nucléaire, il faut aussi s’intéresser à la stabilité des noyaux. Un même élément chimique peut exister sous plusieurs formes, appelées isotopes.

Ces isotopes ont le même nombre de protons, mais un nombre de neutrons différent.

Par exemple, l’uranium 235 et l’uranium 238 sont deux isotopes de l’uranium. Certains isotopes sont instables : leur noyau est déséquilibré.

Pour devenir plus stable, le noyau se transforme spontanément en émettant des particules et de l’énergie.

Ce phénomène naturel s’appelle la radioactivité. La désintégration radioactive est un phénomène spontané, aléatoire et inévitable, qui ne dépend pas des conditions extérieures comme la température ou la pression. On distingue principalement trois types de radioactivité : a) La radioactivité alpha Le noyau émet une particule alpha, c’est-à-dire un noyau d’hélium constitué de 2 protons et 2 neutrons.​ Le nombre de masse diminue donc de 4, et le numéro atomique de 2. b) La radioactivité bêta moins Un neutron se transforme en proton.

Cette transformation s’accompagne de l’émission d’un électron et d’un antineutrino. c) La radioactivité bêta plus Un proton se transforme en neutron avec émission d’un positon et d’un neutrino Ces transformations respectent toujours les lois de conservation de Soddy : ●​ la conservation de la charge électrique ; ●​ la conservation du nombre total de nucléons. La radioactivité suit une loi de décroissance exponentielle : cela signifie que les noyaux radioactifs disparaissent progressivement au cours du temps.

N(t) = N0 x e^-lambda t. où λ est la constante radioactive caractéristique du noyau. L’activité d’un échantillon correspond au nombre de désintégrations par seconde et s’exprime en becquerels (Bq). Chaque élément radioactif possède une propriété appelée demi-vie (ou période radioactive).​ C’est le temps nécessaire pour que la moitié des noyaux radioactifs d’un échantillon se désintègrent. Elle vérifie la relation suivante : T(½) = ln(2)/lambda Quelques exemples : ●​ iode 131 : environ 8 jours ; ●​ carbone 14 : environ 5 730 ans ; ●​ uranium 238 : environ 4,5 milliards d’années. Cette notion est essentielle pour comprendre pourquoi certains déchets nucléaires restent dangereux pendant très longtemps. Nous venons donc de voir que l’énergie nucléaire trouve son origine dans la structure et l’instabilité du noyau atomique.

Il faut maintenant comprendre comment l’être humain exploite cette énergie dans les centrales nucléaires. II De la fission à la production d’électricité 1.

Le principe de la fission nucléaire L’énergie nucléaire utilisée aujourd’hui dans les centrales repose essentiellement sur la fission nucléaire induite. La fission est une réaction au cours de laquelle un noyau lourd, comme l’uranium 235, absorbe un neutron, devient instable, puis se brise en deux noyaux plus légers.

Cette réaction libère : ●​ de l’énergie ; ●​ des rayonnements ; ●​ et surtout 2 à 3 neutrons supplémentaires. On peut écrire de manière simplifiée : ^{235}_{92}U + ^1_0n \rightarrow ^{236}_{92}U \rightarrow \text{produits de fission} + 2 \text{ ou } 3\, ^1_0n + \text{énergie} Cette réaction est dite contrôlée lorsque le facteur de multiplication est égal à 1 (chaque fission entraîne en moyenne une seule nouvelle fission). L’énergie libérée par une seule fission est d’environ 200 MeV (Mega électron Volt) soit environ : 3,2 × 10⁻¹¹ J (1 eV = 1,6 × 10⁻¹⁹ J) Cela paraît très faible, mais dans un réacteur, il se produit un nombre gigantesque de fissions chaque seconde.

C’est cette accumulation qui produit une grande quantité de chaleur. La fission nucléaire est donc une réaction provoquée, contrairement à la radioactivité qui est spontanée. 2.

La réaction en chaîne et son contrôle Les neutrons libérés lors d’une fission peuvent à leur tour heurter d’autres noyaux d’uranium 235.

Ceux-ci se fissurent alors également et libèrent de nouveaux neutrons : c’est la réaction en chaîne. Si cette réaction n’est pas contrôlée, elle peut devenir extrêmement rapide et libérer brutalement une très grande quantité d’énergie.

Dans une centrale nucléaire, au contraire, on cherche à maintenir une réaction stable, progressive et contrôlée. Pour cela, deux éléments sont essentiels : le moderateur et les barres de commandes a) Le modérateur Dans les réacteurs français, c’est généralement l’eau qui joue ce rôle.

Les neutrons issus de la fission sont trop rapides pour provoquer efficacement d’autres fissions.

L’eau les ralentit : on dit qu’elle les thermalise.

Cela augmente la probabilité qu’ils soient captés par d’autres noyaux fissiles.

Ces neutrons sont qualifiés de neutrons thermiques b) Les barres de commande Ces barres sont constituées de matériaux capables d’absorber les neutrons, comme le bore ou le cadmium.

En les enfonçant plus ou moins dans le réacteur, on contrôle le nombre de neutrons disponibles.

Si on les enfonce totalement, la réaction peut être fortement ralentie, voire arrêtée. Le combustible utilisé dans.... »