Réaction Nucléaire : Quel fonctionnement ?
L'énergie nucléaire passe par la production de chaleur. L'énergie thermique est produite par un choc violent sur le noyau (d'où le nom de nucléaire). La Fission : Au coeur du réacteurPour rappel, un atome est composé d'électrons tournant autour d'un noyau, lui même composé de protons et de nucléons, qui malgré l'énergie répulsive (interaction électromagnétique : 2 éléments chargés positivement se repoussent) sont soudés ensembles grâce à l'interaction forte. Lorsqu'un noyau est trop gros (numéro atomique élevé) l'interaction forte, qui n'agit que sur courte distance, n'a plus assez de force pour tenir soudé les nucléons. La force électromagnétique prend le dessus. Le noyau devient instable. C'est pourquoi les réactions nucléaires nécessitent l'usage de noyaux instables, donc radioactifs (uranium 233, uranium 235, plutonium 239 ou plutonium 241). Ainsi, il est plus facile de les faire éclater et de libérer de l'énergie. C'est dans le coeur de du réacteur (voir fonctionnement d'une centrale nucléaire) qu'a lieu la réaction nucléique. Le combustible le plus utilisé est l'uranium 235 (= 235 nucléons), car il est naturel. Il est extrait de mines et cuit en petits cylindres de 1 cm de long (= 7g). On appelle ceci des pastilles. Celles-ci sont enfilées dans de longs tubes métalliques de 4m, les gaines. Les extrémités sont bouchées de manière étanche ; cela donne des crayons de combustible.
Les crayons sont rassemblés en fagots de forme carrée : c'est un assemblage de combustible. Chaque assemblage est fait de 264 crayons. Pour contrôler la réaction et le nombre de fissions, une gaine enduite d'une sorte de paumade nucléophage descend ou remonte pour couvrir chaque crayon. Pour charger un réacteur nucléaires de 900 mégawatt, il faut 157 assemblages, soit environ 11 millions de pastilles d'uranium. Un assemblage est consommé durant 3 à 4 ans, puis il doit être recyclé. La réaction nucléaireLa réaction nécessite un neutron lent. Celui-ci est produit par une chaine de réactions : L'atome d'Américium 241 (symbole : Am), créé artificiellement, est très instable. C'est un émetteur alpha (production d'atomes d'hélium) de période 458 années (radioactif durant 458 ans). On fait réagir cet atome d'hélium avec du bore ou du béryllium 9. Cela produit un atome (de carbone) et un neutron. Ce neutron (neutron lent) va heurter un noyau d'uranium (déjà instable) qui va se briser en deux autres noyaux, de numéro atomique moins important (voir courbe d'Aston) et d'un ou plusieurs neutrons. Les atomes formés et les neutrons en excès sont piégés par les barres de contrôle. Grâce au(x) neutron(s) formés, la réaction se poursuit, mais de manière contrôlée. Pour résumer, voici une petite animation extraite du site internet du CEA : Courbe d'Aston Selon la formule de Einstein E=mc², la masse m et la vitesse de la lumière c est égale à une quantité d'énergie E. Lors d'une fission, en partant d'une masse nucléaire importante, et en formant une entité de masse plus faible, on obtient un excédent en énergie. Cette énergie est, dans notre cas, sous forme de chaleur. La Fusion : l'alternativeRéaliser et alimenter une fusion, c'est en fait réaliser une sorte de mini soleil. Au début du XXème siècle, les scientifiques ont découvert les réactions produites au coeur du soleil. Rapidement, ils ont voulu reproduire ces réactions afin d'obtenir une énergie aussi puissante que le Soleil. C'est le point de départ de la fusion. Selon la courbe d'Aston (voir précédemment) il faut fusionner deux noyaux de masse nucléaire faible, pour obtenir une noyaux plus lourd et un excédent d'énergie (plus important que lors d'une fission). On utilise donc deux isotopes d'hydrogène. Pour résumer, voici une petite animation extraite du site internet du CEA : Pour fusionner deux noyaux, il faut réussir à les faire se rencontrer. Or les noyaux sont chargés positivement : ils se repoussent. Dans le tokamak, une sorte de four, on injecte un mélange gazeux pour faire monter la température jusqu'à 100 millions de degrés. Les atomes, de plus en plus agités, prennent de la vitesse, s'entrechoquent. Les noyaux se disloquent et les électrons prennent leur indépendance. Ce mélange gazeux constitue le plasma. La difficulté est ensuite de contenir ce plasma à cette température élevée, au même endroit. Pour cela, on utilise des champs magnétiques très intenses (comme dans un accélérateur de particule). Cela est déjà faisable, mais le plasma n'est pas tout à fait maitrisé et les scientifiques veulent en tirer plus d'énergie. Il existe déjà des réacteurs expérimentaux, nommés ITER. Mais de nouveaux sont en projet, plus grand. En effet plus le réacteur est grand, moins il y a de perte de chaleur au niveau du plasma (meilleur isolation), et moins il est difficile d'atteindre ces températures extrêmes. Lequel choisir ? Fission ou fusion ?La fusion produit plus d'énergie que la fission, et produit moins de déchets dangereux. Le seul déchet qu'une réaction de fusion produit est l'hélium (inoffensif pour l'environnement). De plus, les scientifiques pensent pouvoir alimenter ce mini-soleil avec les déchets radioactifs produits jusqu'ici. Mais les neutrons libérés pendant ces réactions heurtent les parois du réacteur, bouleversant la matière, qui devient radioactive (car instable). Les matériaux constituant le réacteur deviennent des déchets radioactifs, qu'il faudra stocker et isoler pendant de une centaine d'années avant de pouvoir les réutiliser. Aussi en faveur de la fusion, seuls quelques grammes de combustible suffisent pour déclencher et entretenir les réactions de fusion. Mais les matériaux constituant le coeur du réacteur ne résistent pas longtemps aux rayonnements émis par la réaction de fusion. Le physicien Sébastien Balibar dit : « On nous annonce que l'on va mettre le Soleil en boîte. La formule est jolie. Le problème, c'est que l'on ne sait pas fabriquer la boîte ». En effet, aujourd'hui, les principales recherches sur le thème de la fusion sont les matériaux qui serviront à construire les centrales. Aujourd'hui, on ne sait pas récupérer et réutiliser suffisamment l'énergie de ces réactions, cependant, on prévoit qu'en 2050, ces centrales seront opérationnelles, produisant 40 fois plus d'électricité qu'elles en consomment. |
Lycée Pilote Innovant International - 2008-2009 : TPE Centrales Nucléaires, quels sont les enjeux de l'EPR ?
