Réaction nucléaires

Les réactions nucléaires

De la combustion du charbon à la fusion nucléaire en passant par la fission, les besoins énergétiques de l'Homme grandissent chaque année...

Avant de lire cet article, il faut bien comprendre la composition de la matière.
Un article sur « La composition de la matière » est disponible sur MH info !

De la percussion de silex à la combustion du charbon jusqu’à la fusion nucléaire, en passant par la fission nucléaire ou les énergies renouvelables, les besoins énergétiques de l’Homme grandissent chaque année. Pour répondre à la demande énergétique titanesque, les chercheurs s’efforcent de créer de nouvelles technologies au fil des années : En 1905, un physicien allemand publie un article, notamment sur une équation qui va révolutionner le monde : E=mc2. Voilà ce qu’a fait le succès d’Albert Einstein. Cette équation est évidemment une des plus connu de toute la physique, mais elle n’est pas pour autant toujours bien comprise.
La fusion nucléaire promet un avenir en énergie plus sûr, abondant et propre 

1. E = mc2
E = énergie ; m = masse (en kg) ; c = vitesse de la lumière dans le vide (299 792 458 m/s ou environ 300 000 000 m/s).
Elle signifie donc Énergie = masse x vitesse de la lumière au carré.
On peut aussi la lire dans l’autre sens : mc2 = E, qui signifie masse x vitesse de la lumière au carré = énergie.

Cette équation exprime donc l’équivalence entre la masse et l’énergie, c’est-à-dire que la masse d’un corps dépend de l’énergie qu’il contient et que l’énergie contenue dans un corps dépend de sa masse. La masse est donc une forme d’énergie !

Dans un hadron (comme le proton ou le neutron), la somme des masses des quarks ne représente qu’une infime partie de sa masse totale : la masse d’un quark up est de 0,004 yg (rappel : yoctogramme ou 10-24 g) et celle d’un quark down de 0,009 yg, alors que la masse d’un proton (2u + 1d) est de 1,673 yg et celle d’un neutron (1u + 2d) est de 1,675 yg ! Un quark est donc composé à environ 99% d’énergie ! Cela veut donc bien dire que tout corps n’est composé de quasiment que d’énergie. Les 1% restant (de la masse d’un quark) proviennent du boson de Higgs, ou plus précisément le champ de Higgs (voir le « le saviez-vous ? Quelle est l’origine de la masse ? »)
Chaque corps contient donc de l’énergie, et plus il est massif, plus il en contient. On peut transformer de l’énergie en masse : dans une collision matière avec antimatière, la masse des 2 particules est entièrement transformée en énergie. On peut aussi faire rentrer en collision des hadrons dans un accélérateur de particule, l’énergie cinétique des hadrons se transforme en masse ; et de la masse en énergie (ex : fission).

La masse d’un noyau d’hélium, composé de 2 protons (1,673 x 2 = 3,346 yg) et de 2 neutrons (1,675 x 2 = 3,350 yg), est de 6,646 yg, alors que si on fait la somme des 4 hadrons, cela fait 6,696 yg. Une partie de la masse des 4 hadrons est transformée en énergie et est libérée, il y a donc une perte de masse. Cette énergie libérée est d’environ 1%, mais ces 1% sont énormes (voir fusion). Par exemple, si on fait une combustion avec du méthane et du dioxygène, on produit du dioxyde de carbone et de l’eau ; sauf que l’énergie contenue dans le méthane et le dioxygène est plus importante que celle contenue dans le dioxyde de carbone et l’eau. On peut extraire la différence sous forme de chaleur.

Combustion du méthane

Encore un autre exemple : Si on chauffe de l’eau, on augmente sa masse parce qu’on lui donne de l’énergie. Évidemment, le changement est imperceptible (environ 3ng/L (rappel : ng = nanogramme = 10-9) d’eau de 20°C à 80°C)

Prenez la masse d’un corps (quelconque) en kg, puis multipliez le par la vitesse de la lumière au carré et vous obtiendrez le résultat en Joules : par exemple, un objet de 1 kilo contient 1 x 300 000 000 x 300 000 000 = 90000000000000000 Joules !!

2. Différence entre une réaction chimique et nucléaire
Une réaction nucléaire se différencie d’une réaction chimique, qui ne concerne que les électrons ou les liaisons entre les différents atomes, et qui conserve tous ses éléments. À l’inverse, une réaction nucléaire transforme un élément en un autre. Les énergies produites dans les réactions nucléaires sont environ 1 million de fois plus importantes que celles des réactions chimiques.

3. La fission nucléaire
Dire que l’on produit de l’énergie est un terme très incorrect : on ne peut pas produire de l’énergie, mais on l’extrait. Extraire de l’énergie revient donc à prendre quelque chose qui est dans un état d’énergie élevé et le mettre dans un état d’énergie plus faible en récupérant la différence. Très souvent, l’énergie récupérée n’est pas directement exploitable et on doit la transformer.

La fission nucléaire consiste à casser (fissionner) des noyaux d’atomes instables. Des atomes qui peuvent se fissionner sont dit « fissiles » ou « fissibles ». Il n’existe pas beaucoup d’atomes fissiles (ou fissibles). Les principaux sont :

  • L’uranium-238 : L’uranium-238 est présent en grande quantité dans la nature, mais il n’est pas fissile. On peut cependant l’enrichir grâce à des centrifugeuses (mais c’est mauvais pour l’écologie) : L’uranium-238 est mélangé avec très peu d’uranium-235 (environ 0,7%). Enrichir de l’uranium revient donc à séparer le 235 du 238 : pour une centrale nucléaire il faut que l’uranium soit composé d’au moins 5% d’uranium-235. Pour une bombe atomique il faut qu’il le soit à 95% !
  • L’uranium-235 : L’uranium-235, présent en petite quantité dans la nature, est lui fissile. C’est donc le seul atome fissile naturel.
  • Le plutonium-239 : Il est inexistant à l’état naturel, mais on peut le produire artificiellement, notamment en ajoutant des neutrons sur de l’uranium-238.
  • L’uranium-233 : Il aussi inexistant à l’état naturel, et on peut aussi le produire artificiellement, mais en ajoutant cette fois des neutrons sur du Thorium-232.

Pour fissionner un atome d’uranium-235, on lui fait absorber un neutron, et il devient donc de l’uranium-236, très instable, qui va provoquer la fission de l’atome en 2 atomes plus légers : du Baryum et du Krypton (par exemple). Cette fission va aussi émettre 2 ou 3 neutrons, que vont absorber d’autres atomes d’uranium : On appelle ça la réaction en chaîne. Elle va aussi dégager une quantité gigantesque d’énergie (1g d’uranium, libère l’équivalent de la combustion de plusieurs tonnes de charbon).

La raison pour laquelle on peut extraire de l’énergie en fissionnant un atome d’uranium est que l’énergie contenue dans un atome d’uranium (voir E = mc2) est plus élevée que l’énergie contenue dans un atome de Baryum et de Krypton. Il y a donc une partie de la masse qui s’est transformé en énergie, et on en extrait donc une partie. En l’occurrence, elle s’est transformée en énergie cinétique (c’est ce qui permet la réaction en chaîne), en chaleur, et en radiations.

Schéma de la fission nucléaire (réaction en chaîne)

Le combustible est conditionné sous forme de petite pastilles d’uranium (le plus souvent), empilé dans de longs tubes métalliques, appelés « crayons » :

Crayon nucléaire (combustible) et pastilles

Fonctionnement d’une centrale nucléaire :
Une centrale nucléaire à eau pressurisé (utilisé en France et technique la plus répandue dans le monde) est divisée en 3 circuits :

  • Le réacteur nucléaire (circuit primaire) : Les crayons sont placés dans de très grandes cuves en acier, remplie d’eau pour protéger des radiations. Grâce à la fission des atomes, l’eau va chauffer à plus de 300°C (et va être mise sous pression pour rester liquide). L’eau est ensuite dirigée par des tuyaux dans le générateur de vapeur rempli d’eau, qui va se transformer en vapeur grâce au tuyau très chaud qui passe dedans.
  • Le circuit secondaire : La vapeur d’eau du générateur de vapeur est acheminée vers la turbine pour la faire tourner, et qui va faire tourner un alternateur. Un transformateur élève la tension du courant électrique produit par l’alternateur pour l’envoyer sur les lignes du réseau électrique.
  • Le circuit de refroidissement : En sortant de la turbine, la vapeur est retransformée en eau liquide par le circuit de refroidissement pour être renvoyé vers le générateur de vapeur : la vapeur passe dans un condenseur, alimenté par de l’eau froide (d’une mer ou d’un fleuve) ou par de l’eau refroidie par un courant d’air dans des tours aéroréfrigérantes.
Réacteur nucléaire à eau pressurisé (REP)
Cuve d’un réacteur nucléaire

Pour information, les tours aéroréfrigérantes ne rejettent donc pas de gaz à effet de serre ou toxiques, et ne polluent absolument pas : elles sont aussi appelées tours de refroidissement, et ne rejettent que de l’eau. La vapeur d’eau se condense en microgouttelettes d’eau (comme dans les nuages) et c’est pour cela qu’on voit une trainée blanche en haut de ces tours. D’ailleurs, le nucléaire ne rejette pas de CO2 ou autres gaz à effet de serre (c’est son grand avantage). En réalité, la vapeur d’eau est un gaz à effet de serre, mais il ne reste que quelques jours dans l’atmosphère contrairement au dioxyde de carbone qui y reste plus d’un siècle. Les émissions de vapeur d’eau ne jouent donc qu’un rôle très négligeable dans le réchauffement climatique. Cependant, il y a beaucoup de déchets radioactifs, qui sont très dangereux pour la santé pendant très longtemps, parce qu’il émettent des rayons alpha, bêta ou gamma (respectivement de plus en plus dangereux pour l’Homme). Il peuvent rester radioactifs entre moins de 100 jours (déchets industriels) et plusieurs centaines d’années, voire plusieurs milliards d’années (combustible usé). Nous ne savons pas du tout les recycler et ils sont stockés, ce qui ne fait que repousser le problème. De plus, il peut y avoir des accidents comme à Tchernobyl ou à Fukushima, pour ne parler que des plus graves.

4. La fusion nucléaire
Les besoins énergétiques de l’Homme grandissent d’années en années. Les moyens utilisés pour satisfaire ces besoins titanesques sont mauvais pour la planète, et disparaîtront un jour (d’ici peu). La fusion nucléaire est une réaction thermonucléaire qui permet de libérer beaucoup plus d’énergie que la fission (environ 8 fois plus), pratiquement sans déchets radioactifs. Fusionner 1g d’hydrogène libère autant d’énergie que 300t de pétrole. Cela permettrait donc une énergie plus abondante, plus propre et plus sûre. Des dizaines de milliards d’euros ont déjà été investi dans le projet ITER (Réacteur Thermonucléaire Expérimental International, de l’anglais International Thermonuclear Experimental Reactor)

Projet ITER

Ce projet réunit, dans le sud de la France : États-uniens, Européens, Russes, Indien, Chinois, Japonais, Coréen.

La fusion nucléaire consiste à rassembler (fusionner) 2 atomes pour n’en avoir plus qu’un. Par exemple, on peut fusionner 1 atome de Deutérium (1 proton + 1 neutron) et 1 atome de Tritium (1 proton + 2 neutrons), qui sont des isotopes de l’hydrogène, pour avoir de l’hélium 4 (2 proton + 2 neutrons) + 1 proton. La réaction ci-dessus est celle qu’on essaie de faire dans les réacteurs à fusion. Cette réaction nucléaire libère beaucoup plus d’énergie que la fission : l’énergie contenue dans les deux atomes d’hydrogène est plus élevée quand celle contenue dans l’atome d’hélium. Cette réaction permet d’ailleurs aux étoiles d’émettre (autant) de lumière

Schéma d’une future fusion sur Terre

Si vous avez bien lu, vous avez dû vous rendre compte qu’il y a quelque chose de paradoxal : Pourquoi y a-t-il plus d’énergie dans 1 atome que dans 2 avec l’uranium, mais qu’avec l’hydrogène et l’hélium il y a plus d’énergie dans 2 atomes que dans 1 ? La raison est que les atomes les plus stables (qui ont le moins d’énergie) sont les atomes de taille moyenne (le fer, de taille moyenne, est l’atome le plus stable) : Les atomes les plus légers contiennent presque 5 fois plus d’énergie que les atomes les plus lourds. On peut donc récupérer un peu d’énergie en passant d’un très gros atome vers un plus petit (fission), et énormément d’énergie en passant d’un très petit atome vers un autre un peu plus gros.
Si vous n’avez pas compris vous pouvez regarder le tableau ci-dessous :

Courbe d’Aston

Pour que cette réaction se produise, il faut mettre de l’énergie : on consomme un peu d’énergie pour en récupérer beaucoup plus. Pourquoi faut-il mettre de l’énergie ? Si on met du bois avec du dioxygène, il ne se mettent pas à brûler, il faut une allumette. Et après avoir mis l’allumette, on récupère beaucoup plus d’énergie que ce que l’on a mis. Il y a donc une barrière énergétique (la barrière coulombienne), et l’allumette sert à la passer. Pour la fusion, c’est pareil. Mais cette fois il faut beaucoup d’énergie pour passer la barrière énergétique : Il faut une température de 10 à 15 millions de °C et donc une vitesse phénoménale (plus la température est élevée, plus les atomes « s’agitent ». Au zéro absolu (0 kelvin ou -273,15°C), la plus basse température possible, tout atome ou molécule est pratiquement immobile).

Quand on chauffe autant un corps il n’est ni solide, ni liquide, ni gazeux. Contrairement à ce que vous avez dû l’apprendre à l’école ou au collège, la matière n’a pas que 3 états, mais 4 : Solide – Liquide – Gaz – Plasma. En réalité, il existe même d’autres états, moins communs.
Quand on passe de l’état gazeux au plasma, on dit qu’on ionise le gaz. Le plasma se caractérise par des atomes légèrement différents : ce sont des ions, qui ont une charge électrique, par ce que les noyaux d’atomes sont « détachés » de leurs électrons. On appelle ces électrons des électrons libres. La charge électrique des noyaux d’atomes est positive parce que les protons possède une charge électrique positive et les neutrons ont une charge neutre. La raison pour laquelle les atomes (non ionisé) n’ont pas de charge est qu’il y a autant d’électrons (-) que de protons (+), et donc la charge électrique est neutre.

Ce qui permet à 2 noyaux de rester « collés », c’est l’interaction nucléaire forte (la force la plus puissante, entre les quarks). Le problème, c’est que pour qu’elle se manifeste, il faut que les atomes soient rapprochés à 1 femtomètre (soit 0,000 000 000 000 001 mètre ; 10-15 m) À 15 millions de degrés, ce ne devrait pas être un problème, il y a beaucoup de collision, MAIS il y a aussi l’interaction électromagnétique (la 2ème force la plus puissante) : elle repousse les noyaux d’atomes du plasma, qui sont tous positifs, parce qu’ils ont la même charge électrique. Certes, elle est 100 fois moins puissante que l’interaction nucléaire forte, mais son rayon est lui « illimité » (le photon est la particule associée à l’interaction électromagnétique, et il n’a ni charge électrique ni masse), comparé à ≤1 fm pour l’interaction nucléaire forte. Mais s’il y a un choc assez puissant, il pourrait se rapprocher assez pour que l’interaction nucléaire forte prenne le relais. Nouveau problème : plus on s’approche plus il faut d’énergie, et il faudrait donc une température supérieure à 5 milliards de degrés, c’est-à-dire que les protons devraient se déplacer à 20 000 km/s, soit 7% de la vitesse de la lumière… La seule chose qui pourrait faire se rapprocher les protons est l’effet tunnel (mécanique quantique), que je ne vais pas expliquer parce que c’est extraordinairement compliqué, mais en gros, l’effet tunnel se produit environ tous les 100 millions de collisions. Si on a beaucoup de collisions, et que les atomes sont très proches les uns des autres, on a plus de chance. Pour avoir plus de collisions, il faut rapprocher les atomes.

Dans la réaction d’une bombe H (bombe à fusion), on utilise une bombe A (bombe à fission), seulement comme allumette. C’est de la fusion (totalement) incontrôlée. Ce qu’on cherche justement, c’est donc d’avoir une fusion contrôlé : c’est le but du projet ITER

Dans les étoiles, « l’allumette » est l’effondrement gravitationnel du nuage d’hydrogène sur lui-même (article « La vie d’une étoile » en rédaction).

Pour le fonctionnement, c’est le même principe que la fission : La chaleur produite va faire se transformer de l’eau liquide en vapeur pour faire tourner une turbine qui va faire tourner un alternateur…
La question est plutôt comment réussir à avoir une si haute température (et pression) sur Terre ?
Une des techniques serait le « confinement magnétique » :
Pour pouvoir avoir des réactions de fusion dans un plasma, les atomes doivent être contenus dans un volume limité et maintenu à de températures très élevées, tout en les empêchant de céder leur chaleur à une paroi matérielle. Pour cela on peut utiliser un confinement magnétique. Il consiste à utiliser un champ magnétique sur les ions du plasma, chargé donc sensible au champ. Si le plasma est dans un champ magnétique rectiligne, les particules du plasma seront concentrées en son centre et ne peuvent plus atteindre les parois : elles sont dans un confinement magnétique dans ce qu’on appelle une « boîte magnétique ».

Pour créer des champs magnétique (aussi) intense, on utilise des électroaimant (c’est-à-dire un aimant alimenté en courant électrique pour créer un champ magnétique)

Champ magnétique

Dans une future centrale à fusion par confinement magnétique, on referme la boîte magnétique sur elle-même pour que le plasma ne s’échappe pas aux extrémités. On a formé ce qu’on appelle un tore. Le champ magnétique créé par les aimant qui entoure le plasma s’appelle donc maintenant un champ magnétique toroïdale.

Tore et champ magnétique toroïdale

Série d’article rédigée entre le 01/12/2020 et le 21/12/2020 par Maxime Hamou.
Sources : France Culture (E=mc2), Science Étonnante (Fission/Fusion), Futura Sciences : E=mc2 FissionLa vapeur d’eau est-elle un gaz à effet de serre ?Fusion, Wikipédia : Réactions nucléairesFissionÉtats de la matière, Le Monde (E=mc2), EDF (fonctionnement d’une centrale), Science Clic (Plasma), Hugo Lisoir (Fusion), CEA (Fusion nucléaire).