Les bases théoriques et les applications

L’énergie de liaison entre les protons et les neutrons constituant les noyaux atomiques, rapportés à leur masse totale, est nulle pour l’hydrogène ; elle croît ensuite rapidement avec la masse atomique des éléments successifs de la classification de Mendeleeiv ; elle est maximale pour le fer, puis redescend plus lentement jusqu’à l’uranium. Cette énergie de liaison est équivalente à une masse, suivant la célèbre équation e = mc², due à Henri Poincaré et Albert Einstein, dans laquelle c est la vitesse de la lumière. Les noyaux atomiques, sauf celui de l’hydrogène, présentent ainsi un défaut de masse par rapport à la somme des masses des protons et des neutrons qui les constituent, ce défaut de masse étant maximal pour le fer. Il est possible de récupérer une partie de l’énergie de liaison entre protons et neutrons, soit en cassant un noyau lourd en deux éléments plus légers (fission), soit en constituant un noyau plus lourd, à partir de deux éléments légers (fusion). Dans les deux cas, les réactions se traduisent par une légère perte de masse des éléments finals par rapport à celle des éléments initiaux, associée à une libération d’énergie toujours considérable, en raison de l’importance du coefficient de proportionnalité c², mais bien plus importante dans le cas de la fusion que dans celui de la fission, si on la rapporte à la masse globale mise en jeu.

Les réactions de fission

Tous les noyaux lourds ne sont pas fissiles. L’uranium 238, le plus lourd des éléments naturels, ne l’est pas. Son isotope naturel 235 (1 atome d’U 235 pour 139 atomes d’U 238) est, par contre, fissile, ainsi que le thorium. Une réaction de fission type est, par exemple :

[equation]

[equation]est un neutron. Les chiffres inférieurs donnent les numéros atomiques des éléments (nombre de protons dans leurs noyaux), les chiffres supérieurs le nombre total de protons et de neutrons. Un autre noyau très fissile est celui du plutonium 239, premier élément artificiel dit transuranien, qui résulte de la capture d’un neutron par un noyau d’uranium 238 dans un réacteur nucléaire . Une réaction de fission individuelle est déclenchée par l’impact d’un neutron. Mais elle peut s’amorcer spontanément, dès qu’une masse suffisante de matière fissile est rassemblée (masse critique), les premiers neutrons produits déclenchant la fission d’autres noyaux (réaction en chaîne).

Les applications de la fission nucléaire

Une bombe atomique est essentiellement constituée de deux masses distinctes sous-critiques, brutalement mises en contact par une explosion conventionnelle pour constituer une masse sur-critique qui explose, provoquant une onde de choc, un rayonnement intense X et g, un dégagement de chaleur considérable dans le visible et l’infrarouge.

Les réacteurs nucléaires à usage civil sont conçus pour contrôler la réaction, qui ne peut ainsi devenir explosive. Toute l’énergie libérée se transforme en chaleur au coeur des réacteurs et doit être évacuée de façon continue vers les circuits d’utilisation. La dispersion volontaire du combustible nucléaire dans les réacteurs civils rend plus difficile l’amorce de la réaction en chaîne, qui ne se produit spontanément qu’avec des combustibles à base de plutonium très fissile (réacteurs dits à neutrons rapides). L’utilisation de combustibles à base d’uranium 235, moins fissile, impose de ralentir les neutrons émis pour augmenter leur probabilité de capture, grâce à un matériau solide ou liquide appelé modérateur (réacteurs dits à neutrons lents). La tendance actuelle est d’utiliser un modérateur liquide, servant simultanément de fluide dit caloporteur, évacuant l’énergie calorifique dégagée.

Les réactions de fusion

Ce sont les réactions qui fournissent leur énergie aux étoiles. Elles ne concernent que l’ hydrogène [equation]H, le deutérium [equation]H (ou hydrogène lourd), le tritium [equation]H, et aboutissent par étapes à l’hélium [equation]H. Elle sont rendues possibles, au coeur des étoiles, par les pressions et par l’agitation thermique considérables qui y règnent et permettent ainsi de surmonter la répulsivité réciproque des noyaux en présence. Seule l’une de ces réactions a pu être reproduite sur Terre, au niveau de masses significatives (et non pas seulement au niveau de la collision de deux noyaux isolés dans un accélérateur) ; c’est la réaction : [equation](Méga électrons Volt), très énergétique, qui s’amorce à la température la plus basse (ordre de grandeur du million de K). Le deutérium [equation]H est un isotope naturel stable de l’hydrogène, qui en contient 0,015 %. Compte tenu de la masse des océans, c’est donc un combustible inépuisable. Le tritium [equation]H, quant à lui, n’existe pratiquement pas à la surface de la Terre, mais il peut être produit simplement par bombardement neutronique d’un matériau naturel assez abondant, le lithium.

Les applications de la fusion nucléaire

Jusqu’à ce jour, la fusion n’a trouvé que des applications militaires. Il est, en effet, possible d’amorcer une réaction de fusion explosive en utilisant comme détonateur une bombe à fission. Tel est le principe des bombes dites thermonucléaires à deutérium et tritium, ou à deutérium et lithium, qui existent en deux versions principales : les bombes stratégiques de destruction massive, dont la version la plus puissante a été expérimentée par l’Union soviétique en 1961, les bombes dites à neutrons renforcé destinées à tuer le personnel des formations militaires, même protégé par des blindages, sans faire trop de dégâts de matériels. Ces dernières peuvent aussi détruire ou neutraliser des missiles stratégiques rentrant dans l’atmosphère, par un simple tir de proximité.

Malgré les efforts acharnés conduits dans de nombreux pays depuis 1958, les tentatives de domestication de l’énergie de fusion à des fins civiles n’ont encore donné que des résultats balbutiants.

L’impact économique du nucléaire civil

Quelques petits réacteurs ont pour principale finalité de constituer des outils de recherche ou de production d’isotopes radioactifs utilisés en médecine (traçage radioactif, irradiation des tumeurs), ou dans l’imagerie technique (contrôle des matériaux et des soudures par gammagraphie). Malgré de nombreuses études portant sur des applications potentielles de réacteurs particuliers à des activités industrielles, métallurgiques ou chimiques, les grands réacteurs actuels constituent toutes les sources chaudes de centrales électriques, fonction dans laquelle ils se substituent aux sources chaudes classiques que sont les chaudières de combustion. Leur impact économique est alors considérable dans les pays dépourvus de ressources rentables en combustibles fossiles, comme la France et le Japon. Ils permettent tout d’abord d’abaisser le prix de revient de l’électricité produite (en France, le kiloWatt heure (kWh) d’origine nucléaire revient à 25 centimes, aux bornes des centrales, contre 32 centimes pour le kWh-charbon et 34 centimes pour le kWh-gaz). Mais ils améliorent aussi spectaculairement la balance des paiements des pays utilisateurs (réduction des importations de combustibles fossiles étrangers, exportation d’énergie électrique vers des pays voisins), tout en assumant la sécurité de l’approvisionnement énergétique en cas de tension ou de conflits internationaux. Ils constituent enfin le seul moyen actuellement connu de lutte contre l’augmentation rapide de la teneur en gaz carbonique de l’atmosphère, génératrice de l’effet de serre. Le rôle des grands réacteurs ne cessera de se développer, après épuisement des ressources pétrolières et gazières, surtout s’il se révèle possible d’abaisser le prix de revient du kWh nucléaire à des valeurs suffisamment faibles pour que l’hydrogène, issu de l’électrolyse de l’eau, se présente économiquement comme un carburant automobile de remplacement.

Un certain flou, assez périlleux, subsiste toutefois quant aux techniques de stockage des combustibles irradiés et quant au prix de revient de ces opérations. Ce flou risque de subsister aussi longtemps que l’énergie de fusion n’aura pas pris le relais de l’énergie de fission. Il semble cependant se préciser que les techniques françaises, auxquelles se rallient les Japonais, de retraitement chimique de ces combustibles pour en séparer l’uranium appauvri, le plutonium, ainsi que les autres résidus radioactifs dus à des réactions secondaires, classés par niveau de dangerosité, sont les plus efficaces. Elles permettent notamment une réduction considérable des volumes stockés, la destruction des produits les plus dangereux dans des réacteurs à neutrons rapides et la vitrification (c’est-à-dire que les déchets nucléaires sont coulés avec du verre), avant enfouissement en sites protégés, des autres résidus.

Les problèmes environnementaux

La croissance spectaculaire des usages pacifiques de l’atome a suscité l’inquiétude de l’opinion publique dans les pays occidentaux en raison du potentiel considérable de pollution de l’énergie nucléaire, non seulement dans un fonctionnement normal, mais, surtout, en cas d’accident majeur. Les catastrophes de Tchernobyl (Ukraine) en 1986 et de Kychtym (Oural) en 1957-1958 ont montré que la probabilité de tels désastres n’était, en effet, pas nulle.

Aujourd’hui, EDF est largement engagée dans une démarche de certification selon la norme ISO 14001 – protection de l’environnement.

Le cycle du combustible nucléaire

L’analyse du cycle du combustible nucléaire permet de hiérarchiser les risques résultant de l’usage civil de cette énergie, de l’exploitation de la mine d’uranium au stade final du stockage des déchets. Les différentes étapes de ce cycle ne présentent pas, en effet, un égal danger pour l’environnement. En réalité, les deux phases où les risques d’accident et (ou) de pollution sont les plus importants sont celle de la production d’énergie dans les réacteurs électronucléaires et surtout celle du retraitement des combustibles irradiés. À un degré moindre, dans les conditions propres aux pays occidentaux, le stockage des déchets peut aussi présenter un danger de pollution accidentelle catastrophique.

En l’absence d’accident, la pollution par les réacteurs en fonctionnement est relativement faible. Elle dépend, bien entendu, du type de réacteur utilisé. Les rejets d’un réacteur de type REP (réacteur à eau pressurisée), ceux d’EDF en France, par exemple, sont principalement constitués par du tritium, rejeté essentiellement sous forme d’eau tritiée (HTR). Selon les normes internationales en vigueur, la radioactivité des rejets d’un réacteur en fonctionnement normal ne doit pas excéder 1 Bq/l (becquerel/litre) d’eau fluviale ou littorale pour la totalité des types d’émetteurs, sauf pour le tritium, la tolérance des rejets allant jusqu’à 27 Bq/l.

L’étude de la radioactivité du Rhône près d’Arles montre cependant que, jusqu’à présent, EDF a largement suivi ces prescriptions puisque, à la fin des années 1980, cette dernière était à peine de 19,3 Bq/l pour le tritium, de 0,5 Bq/l pour le cérium 144, ou encore de 0,45 Bq/l pour le ruthénium 106.

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