La radioactivité et l’énergie nucléaire

LA RADIOACTIVITE ET L’ENERGIE NUCLEAIRE

riobravoArticle de M RIO

1.L’atome avant l’ère nucléaire.

2.La classification périodique des éléments.

3.Les grandes étapes de l’ère nucléaire.

4.Structure de l’atome.

5.Radioactivité et réactions nucléaires.

6.La fission de l’uranium.

7.Les applications.

8.La fusion thermonucléaire.

9.Conclusions.

1.L’atome avant l’ère nucléaire.

Au début du XIXème siècle, on sait que toute matière est formée à partir de quelques dizaines d’éléments dont le carbone, l’hydrogène, l’azote, l’oxygène, le soufre, le phosphore…et les métaux, et que ces éléments ne peuvent être transformés les uns dans les autres .On commence à penser qu’ils sont formés de particules, les atomes, car ils se combinent entre eux selon des proportions définies et discontinues.
Dans la seconde moitié du siècle, les notions se précisent :chaque espèce d’atome est capable de se lier à d’autres un nombre défini de fois :c’est sa valence, et les molécules, associations d’atomes, ont une structure géométrique définie .On découvre de nouveaux éléments ;leur nombre double (d’une trentaine à une soixantaine) et on constate qu’ils forment des familles dont les propriétés sont voisines .On les définit par leurs masses atomiques en prenant par convention l’hydrogène de masse égale à 1 gramme ou le carbone de masse 12 grammes, dont on déduit les autres, selon les proportions dans lesquelles ils s’unissent. On remarque que beaucoup, parmi les plus légers, ont des masses atomiques multiples de celle de l’hydrogène.(Tableau.1).Cependant, on ne possède pas encore de preuve directe de l’existence des atomes, et beaucoup de physiciens et de chimistes de l’époque refusent d’y voir autre chose que des considérations philosophiques sans valeur scientifique.

MASSES ATOMIQUES

(12C = 12)

H = 1,008   Na = 22,98
C = 12,01   Al = 26,98   N = 14,00 P = 30,97
O = 15,999   S = 32,06

 

2.La classification périodique.

En 1869,Mendéléïev propose une classification des éléments par masses atomiques croissantes, où se rassemblent en colonnes verticales ceux qui ont des propriétés communes, la valence en particulier .Dans les places encore vides, il prévoit l’existence et même les propriétés d’éléments encore à découvrir .Accueillie d’abord avec beaucoup de scepticisme, sa classification s’imposera de plus en plus par la suite avec la découverte des éléments manquants et de la structure intime des atomes.(Tableau 2).
A la fin du siècle, on peut donc considérer les atomes comme des particules absolument stables, qui peuvent s’associer entre elles pour former des molécules, mais qui ne peuvent être ni modifiées ni créées ni détruites.

 

3.Les grandes étapes de l’ère nucléaire.

Le tableau 3 donne les dates des découvertes fondamentales et des évènements qui ont marqué cette époque .La découverte des rayons X et des ondes hertziennes montre qu’il existe bien d’autres rayonnements que la lumière visible .Celle de la radioactivité établit que tous les atomes ne sont pas parfaitement stables, que des transmutations sont possibles, et qu’elles mettent en jeu des énergies considérables, bien supérieures à celles des réactions chimiques comme les combustions.
On découvre ensuite que les atomes sont eux mêmes formés d’un noyau massif entouré d’un nuage d’électrons, et que le noyau est constitué de deux sortes de particules, les protons et les neutrons .Leur structure obéit à des règles précises qui expliquent la classification périodique .Les noyaux peuvent se briser, spontanément pour les éléments radioactifs, sous l’effet d’un choc très violent pour les autres .Ainsi, le noyau d’uranium peut subir une fission avec un grand dégagement d’énergie, ce qui conduira à la bombe atomique et aux centrales nucléaires .La fusion des noyaux d’hydrogène en hélium est une source encore plus puissante d’énergie.
Les grandes étapes de l’ère nucléaire.

1895.Roentgen;les rayons X.
1896.Becquerel.La radioactivité de l’uranium.
1898.Pierre et Marie Curie .Le radium.
1915.Bohr.Structure de l’atome.
1934.Chadwick.Le neutron.
1935.Irène et Frédéric Joliot-Curie .La radioactivité artificielle.
1938-1939.Hahn,Strassmann et L.Meitner.La fission de l’uranium.
1939.Lettre d’Einstein à Roosevelt pour l’avertir des possibilités de la fission.
1942.La pile de Fermi.
1943.Construction de l’usine d’Oak Ridge .
1945.16 juillet, Los Alamos;6 août, Hiroshima;9 août, Nagasaki.
1952.Eniwetok.La bombe H.
Tableau 3

4.Structure de l’atome.

Les atomes sont extrêmement petits, leur diamètre étant de l’ordre du dixmillionnième de millimètre ou 0,1 nanomètre .Leur masse atomique conventionnelle est leur masse réelle multipliée par le nombre d’Avogadro:
N = 6,02.1023
C’est le nombre d’atomes contenus dans un gramme d’hydrogène ou 12 grammes de carbone .Ce nombre est très grand :un gramme d’uranium radioactif, dont la moitié exige pour se décomposer cinq milliards d’année, se dissocie au rythme de plusieurs centaines d’atomes par seconde.
Tout atome est constitué d’un noyau compact qui renferme l’essentiel de sa masse, chargé d’électricité positive, et d’un nuage d’électrons négatifs ,l’ensemble étant neutre .Le noyau est dix mille fois plus petit que l’atome ;sa densité est donc énorme (3 milliards de tonnes par millilitre).Il est formé de protons positifs et de neutrons sans charge .Protons et électrons sont nécessairement en nombre égal ;le nombre de neutrons est variable, ce qui fait qu’un même élément peut être formé d’atomes différents, les isotopes, dont les propriétés sont très voisines, à l’exception de la stabilité du noyau .Un atome est donc défini à la fois par son numéro atomique, égal au nombre de protons, et par la somme des protons et des neutrons, équivalent à sa masse atomique .Ainsi, le carbone, de numéro atomique 6,possède 3 isotopes, le carbone 12 ordinaire et ses isotopes 13 et14.
Un noyau ne peut être formé uniquement de protons dont les charges électriques se repoussent .La plupart des éléments légers possèdent des protons et des neutrons en nombre à peu près égal; les plus lourds sont plus riches en neutrons.
La force qui lie les électrons aux noyaux est l’interaction électromagnétique, régie par la physique quantique. Elle impose que chaque électron se situe à un niveau d’énergie particulier, et les échanges d’énergie se font par sauts entre ces niveaux avec émission ou absorption de rayonnement.
Les particules du noyau, protons et neutrons, sont liées par une force beaucoup plus intense, ’interaction forte. Il existe aussi une interaction faible, très insuffisante pour unir des particules, mais qui intervient dans les mécanismes de la radioactivité, par exemple la dissociation du neutron qui libère un proton, un électron et un neutrino. Cette dernière particule n’a pas de charge électrique et possède une masse excessivement faible. Elle interagit très peu avec les autres particules.
La structure de l’atome explique la classification périodique des éléments: le passage d’un élément au suivant correspond à l’addition d’un proton dans le noyau (éventuellement de neutrons) et d’un électron à l’extérieur. Les électrons se répartissent successivement sur des couches dont la première est saturée par deux électrons, les deux suivantes par 8,les quatrième et cinquième par 18 et les dernières par 32 électrons.
Les atomes dont la couche externe est incomplète s’unissent par mise en commun d’électrons afin d’atteindre un état stable. C’est ainsi que s’établissent les liaisons chimiques dans les molécules. Les noyaux ne jouent aucun rôle actif dans ces liaisons.

5.Radioactivité et réactions nucléaires.

Le radium, dont la durée de demi-vie est de 2440 ans, émet continuellement trois sortes de rayonnements: un rayonnement, constitué de noyaux d’hélium ou hélions (He2+),à la vitesse de 2000 km par seconde. Ce rayonnement peut traverser quelques cm d’air, et il est faiblement dévié par un champ magnétique. Il est accompagné du rayonnement  formé d’électrons (e-) à la vitesse de 200 000 à 290 000 km par seconde, qui peut franchir quelques mètres d’air et qui est fortement dévié par un champ magnétique.
Ces rayonnements peuvent être détectés par divers moyens: films photographiques, compteurs Geiger sensibles à l’ionisation de l’air; écrans fluorescents; détecteurs à scintillation couplés à des photomultiplicateurs; les chambres de Wilson; les chambres à bulles et plus récemment les chambres à fils de Charpak.
Chaque isotope radioactif se caractérise par sa période ou durée de demi-vie: c’est le temps nécessaire pour que la moitié de ses atomes se dissocie, la durée de vie d’un atome isolé étant aléatoire.

Périodes de quelques éléments radioactifs

Neutron* 13 minutes
Carbone 14 5700 ans
Cobalt 60 5,9 ans
Radon 222 3,85 jours
Uranium 235 2 milliards d’années
Uranium 238 4,5 milliards d’années
Uranium 239 20 minutes
Plutonium 239 24 000 ans
*Les neutrons dans les noyaux sont stables
Tableau 4
En se dissociant, les noyaux radioactifs se transforment en éléments plus légers. Il peut se produire une cascade de décompositions qui aboutit à un élément stable. Le tableau 5 en donne quelques exemples.

 

L’énergie libérée par la radioactivité est liée à une perte de masse. Einstein avait montré que la masse est une forme d’énergie:

E = m C2
C étant la vitesse de la lumière. Si l’on savait transformer intégralement la masse en énergie, une dizaine de kg suffirait à la production annuelle de l’Electricité de France. On en est loin, et seule une faible partie de la masse des matières radioactives est transformée. L’énergie libérée est emportée sous forme d’énergie cinétique des fragments obtenus. En les ralentissant, on récupère cette énergie sous forme de chaleur. La chaleur d’un fluide n’est rien d’autre en effet que l’agitation de ses molécules. Le tableau 6 donne la vitesse moyenne de l’oxygène et de l’hélium à différentes températures. Cette vitesse dépend de la nature du gaz, les molécules plus lourdes étant plus lentes.

Température et vitesse moyenne des molécules

T = 300°K (27°C) v = 500 m/sec (oxygène)
v = 1400 m/sec (hélium)

T = 600°K (327°C) v = 700 m/sec (oxygène)
v = 2000 m/sec (hélium)

T = 600 millions (°K) v = 2000 km/sec (hélium)
Tableau 6.

Avec leurs fourneaux à charbon de bois, les alchimistes étaient très loin de remplir les conditions, les centaines de millions de degrés, nécessaires pour provoquer des transmutations.

La radioactivité artificielle s’obtient en bombardant des noyaux stables avec des particules de haute énergie, c’est à dire animées de grandes vitesses, provenant de la radioactivité naturelle, des rayons cosmiques ou des accélérateurs de particules. Le tableau 7 en donne trois exemples.

La radioactivité artificielle ou provoquée.

Al 27 + He 4

Co 59 + n

N 14 + n

Le premier exemple, qui transforme l’aluminium en phosphore radioactif et celui-ci en silicium est historique(Joliot-Curie).Le second sert à l’obtention du cobalt radioactif; le dernier se produit dans l’atmosphère sous l’effet des rayons cosmiques et transforme l’azote en carbone 14 radioactif utilisé pour la datation des matières carbonées. D’autres transmutations spontanées beaucoup plus lentes, comme celle du potassium radioactif en argon, sont utilisées pour dater des roches anciennes pouvant être âgées de milliards d’années.

6.La fission de l’uranium.

L’uranium naturel renferme trois isotopes:

U 238 99,3%

U 235 0,7%

U 234 0,008%

L’uranium 238,le plus abondant, se transforme en plutonium après absorption d’un neutron:

La durée de vie de l’uranium 239 est de 20 minutes, celle du neptunium 239 de 2,3 jours, et celle du plutonium 239 de 24 000 ans. C’est donc ce dernier qui subsiste en quantités importantes.
L’uranium 235 se comporte différemment: aprés absorption d’un neutron, il fissionne en éléments plus légers: xénon, césium, baryum, lanthane, cérium, molybdène, niobium…Certains de ces éléments, trop riches en neutrons, donc instables, libèrent de nouveaux neutrons qui provoquent de nouvelles fissions. minutes) .La réaction se propage et peut s’emballer.
Il existe d’autres éléments fissibles: le plutonium 239 et l’uranium 233.Ce dernier peut s’obtenir par action d’un neutron sur le thorium 232.Le physicien Carlo Rubbia a proposé de construire sur cette base des réacteurs à thorium excités par une source extérieure de neutrons, ce qui supprimerait tout risque d’emballement.
La vitesse des neutrons a une grande influence sur leur comportement: on distingue les neutrons rapides, provenant directement de la fission, et qui favorisent la formation de plutonium à partir de l’uranium 238,et les neutrons lents dits thermiques obtenus après ralentissement, qui sont plus favorables à la fission de l’uranium 235.
Les applications.

Les bombes A (atomiques) ont été la première utilisation de la fission. Il fallait disposer de matériel fissile concentré(90% environ)en quantité critique(quelques kg),uranium 235 ou plutonium 239.Réunie brusquement en une masse compacte, limitée par la masse critique.
Dans les piles et les réacteurs, la masse critique est diluée dans l’uranium 238 non fissile, et la réaction est contrôlée pour éviter l’emballement tout en maintenant la réaction. On a d’abord utilisé l’uranium naturel, puis l’uranium enrichi à environ 3% de l’isotope 235 ou avec du plutonium. Il existe différent dispositifs ou filières résumées dans le tableau 8.

Les filières
Ralentisseurs: Eau; Eau lourde; Graphite.
Refroidissement: Gaz carbonique; Eau; Eau lourde; Sodium.
Contrôle de la fission: Cadmium; Bore.
Combustibles: Uranium 235;Plutonium 239.
Neutrons thermiques ou rapides.

Exemples:
Eau lourde Uranium naturel: Pile EL expérimentale de Brennilis (démontée).
Graphite Gaz: Anciens réacteurs de l’EDF.
Graphite Eau: Tchernobyl.
Uranium enrichi Eau: Réacteurs actuels de l’EDF.
Ces quatre filières utilisent des neutrons thermiques.
Uranium 238;Plutonium;Sodium:Phénix et Superphénix (Neutrons rapides).

Tableau 8

Les centrales atomiques sont destinées essentiellement à la production d’électricité. Les réacteurs libèrent leur énergie sous forme de chaleur, transmise au moyen de vapeur d’eau comme dans les centrales thermiques classiques, et, comme dans ces dernières, la chaleur ne peut être transformée intégralement en énergie électrique. L’excès de chaleur doit donc être évacuée. On utilise le refroidissement par l’air, par l’eau d’un fleuve ou l’eau de mer, ou sous forme de vapeur d’eau comme dans la centrale du Bugey. Cette chaleur peut aussi être récupérée pour le chauffage urbain et les cultures, mais ne peut être transportée à longue distance, car les pertes seraient trop importantes.
La condition essentielle à réaliser pour le bon fonctionnement d’un réacteur est la gestion des neutrons: il faut se tenir à la limite entre l’arrêt de la réaction et son emballement. Ce contrôle est possible grâce aux neutrons retardés dont on commande la concentration au moyen d’éléments comme le bore ou le cadmium, absorbeurs de neutrons.
Les réacteurs à uranium naturel, pauvres en isotope 235,ne peuvent utiliser l’eau ordinaire comme ralentisseur, car elle absorbe trop les neutrons. et elle est utilisable.
Le combustible des réacteurs s’empoisonne peu à peu avec les sous-produits de la réaction: il se forme de nombreux éléments capables d’absorber les neutrons, et de plus les enveloppes des barres de combustible se dégradent. Il faut donc les changer bien avant l’épuisement de la matière fissile. Le retraitement du combustible est possible; il permet de récupérer l’uranium restant et le plutonium formé, mais c’est une opération délicate et coûteuse à cause de la forte radioactivité résiduelle.

8.La fusion thermonucléaire.

Les noyaux d’hydrogène, de ses isotopes le deutérium et le tritium, et de l’hélium 3, peuvent fusionner en hélium 4 .La masse de 4 atomes d’hydrogène est de 1,0079 x 4 = 4,032g;celle de l’atome d’hélium 4 de 4,003g.La différence, de 3% environ, correspond à la masse transformée en énergie. L’énergie libérée par la fission est de 0,8 MeV (mégaélectronvolt) par proton, celle de la fusion D + He3 de2,8 MeV. La fusion de 4 atomes d’hydrogène libèrerait 7 MeV par proton. La fusion est donc plus énergétique que la fission, mais sa réalisation contrôlée est beaucoup plus difficile. On a su réaliser assez rapidement des bombes H (bombes à hydrogène),dont la charge n’est pas limitée par une masse critique comme celles des bombes A, mais l’utilisation de la fusion pour la production d’électricité demandera encore bien des années, si toutefois on y parvient.
Pour réaliser la fusion, il faut remplir simultanément trois conditions: une concentration suffisante des réactifs, une température et une durée suffisantes. La température en particulier doit être de plusieurs millions de degrés. Deux sortes de dispositifs sont étudiés, les uns à faible concentration mais à durée plus longue,tels les TOMAWAK,appareils de grande taille où les réactifs gazeux sont concentrés par des champs magnétiques intenses au centre d’un tore et chauffés par des décharges électriques, les autres où les réactifs, enfermés dans un petit volume sont concentrés par implosion au moyen de lasers puissants. On a bien réalisé la fusion par ces procédés, mais on est encore très loin de disposer d’installations industrielles exploitables.

9.Conclusions.

L’énergie nucléaire présente par rapport aux énergies classiques des avantages et des inconvénients.
C’est une forme concentrée d’énergie qui permet d’obtenir dans des installations de dimensions beaucoup plus faibles des puissances très élevées, avec des tonnages de combustibles considérablement plus petits, et un approvisionnement garanti pour longtemps sans les aléas des ressources pétrolières. De plus, il n’y a pas de pollution massive de l’atmosphère par les gaz de combustion (gaz carbonique, oxyde de soufre, oxydes d’azote, fumées).
Elle peut être très dangereuse si elle est mal maîtrisée; les installations sont très complexes, les sous-produits radioactifs très nocifs même en faibles quantités. Le transport, le traitement et le stockage des déchets exigent des précautions extrêmes.
On ne disposera donc pas dans un avenir prévisible d’une source d’énergie qui soit à la fois abondante, peu coûteuse et sans danger.