Énergie nucléaire

Un article de Savoir.

Le terme d'énergie nucléaire recouvre 2 sens selon le contexte :

  • Au niveau microscopique, l'énergie nucléaire est l'énergie associée aux forces de cohésion des nucléons (protons et neutrons) au sein du noyau des atomes. Les transformations du noyau libérant cette énergie sont appelées réactions nucléaires.
  • Au niveau macroscopique, l'énergie nucléaire correspond aux usages civils et militaires de l'énergie libérée lors des réactions de fission ou de fusion du noyau atomique.

Cet article concernant la science fait
partie de la série physique
Bases
Histoire - Théorie
Optique - Onde - Matière
Astronomie - Atome - Nucléaire
Mécanique - Dynamique
Électricité - Électronique
Quantique - Relativité
Radioactivité
Techniques
Métrologie - Instrument
Méta
Liste des articles de physique
Liens physique
Publications en Physique


Sommaire

Les réactions de fission et de fusion nucléaire

L'énergie nucléaire recouvre

  • des applications civiles (production d'électricité, de chaleur, d'eau douce, de radio-isotopes, propulsion navale)
  • et des applications militaires (armes nucléaires, propulsion navale).

Selon les applications, sont mises en oeuvre des réactions de fission (toutes les applications pré-citées) ou de fusion du noyau atomique (bombes thermonucléaires dites bombes H).

Fission

Article détaillé : Fission nucléaire
La fission nucléaire.
La fission nucléaire.

Lorsqu'un neutron percute le noyau de certains isotopes lourds, il existe une probabilité que le noyau impacté se scinde en deux noyaux plus légers. Cette réaction, qui porte le nom de fission nucléaire, se traduit par un dégagement d'énergie très important (de l'ordre de 200 MeV par événement, à comparer aux énergies des réactions chimiques, de l'ordre de l'eV).

Cette fission s'accompagne de l'émission de plusieurs neutrons qui, dans certaines conditions, percutent d'autres noyaux et provoquent ainsi une réaction en chaîne. Dans un réacteur nucléaire, cette réaction en chaîne est freinée et contrôlée. Dans une bombe, elle se propage si rapidement qu'elle conduit à une réaction explosive.

L'importance de l'énergie émise dans la fission provient du fait que l'énergie de liaison par nucléon du noyau initial est plus faible que celle des noyaux produits (environ 7,7 MeV par nucléon pour les éléments lourds, contre 8,8 pour le fer). La plus grande partie de l'énergie se retrouve sous forme d'énergie cinétique des neutrons et des noyaux fils, énergie récupérée sous forme de chaleur dans les réacteurs.

Fusion

Article détaillé : Fusion nucléaire
La fusion nucléaire
La fusion nucléaire

La fusion nucléaire est une réaction où deux noyaux atomiques s'assemblent pour former un noyau plus lourd (par exemple un noyau de deutérium et un noyau de tritium s'unissent pour former un noyau d'hélium plus un neutron). La fusion des noyaux légers dégage une énorme quantité d'énergie provenant du défaut de masse (cf. énergie de liaison ; E=mc²) ; le noyau résultant ayant une masse moins élevée que la somme des masses des noyaux d'origine.

Cette réaction n'est cependant possible qu'à des températures très élevées (plusieurs dizaines de millions de degrés) où la matière est à l'état de plasma. Ces conditions sont réunies au sein des étoiles ou de l'explosion d'une bombe à fission nucléaire, qui amorce ainsi l'explosion thermonucléaire ( bombe H ).

Actuellement, aucun appareillage ne permet de produire de l'énergie en contrôlant les réactions de fusion nucléaire. Des recherches sont en cours afin d'obtenir un plasma sur une durée suffisante, afin que l'énergie de fusion produite soit supérieure à celle investie dans le chauffage des particules.Des recherches sont actuellement menées dans un cadre international afin de développer l'usage civil de l'énergie de fusion nucléaire pour la production électrique.

Utilisation

Armement

Article détaillé : Arme nucléaire

Les puissances des bombes nucléaires vont du kilotonne à la mégatonne d'équivalent TNT. Lénergie d'une explosion nucléaire est répartie essentiellement dans l'effet de souffle (onde de choc), l'effet thermique et les radiations.

Types d'armes

Les armes nucléaires sont de deux types :

  • les armes à fission ou «bombes A» : elles utilisent une masse critique d'uranium enrichi ou de plutonium, réunie par l'implosion d'un explosif classique.
  • les armes à fusion ou bombes thermonucléaires ou «bombes H». Les conditions de température et de pression nécessaires à la réaction de fusion d'isotopes d'hydrogène (deutérium et tritium) est obtenue par l'explosion d'une «amorce» constituée par une bombe à fission au plutonium.

La bombe à neutrons est une variante de bombe thermonucléaire conçue pour maximiser la part de l'énergie émise sous forme de radiations; elle est supposée détruire les plus grandes formes de vie dans le voisinage de la cible, tout en provoquant un minimum de dégats matériels.

Histoire

La première utilisation militaire d'une arme nucléaire( «bombe A» ) a été en 1945, le largage de deux bombes sur les villes japonaises d'Hiroshima et de Nagasaki par l'armée américaine, afin de mettre un terme à la Seconde Guerre mondiale. Depuis, ce type d'armement n'a fait l'objet que d'essais expérimentaux (atmosphériques puis souterrains) puis de modélisations informatiques.

La bombe atomique a été à l'origine de la doctrine de dissuasion ou équilibre de la terreur qui a été développée durant la Guerre froide.

Doctrine d'emploi

Dans la doctrine d'emploi de la plupart des puissances nucléaires, on distingue :

  • l'arme nucléaire stratégique, instrument de la doctrine de dissuasion nucléaire ou de «non-emploi», destinée à prévenir un conflit,
  • de l'arme nucléaire tactique, ou de bataille, susceptible d'être employée sur des objectifs militaires au cours d'un conflit. La précision des vecteurs aidant, Ce type d'arme a conduit à la miniaturisation et aux faibles puissances (mini-nuke dans le jargon journalistique américain).

Dans la doctrine d'emploi française, il n'existe pas d'"arme tactique", mais des armes de faible puissance sont définie comme pré-stratégiques ; dans cette conception, ces armes ne servent qu'accessoirement à un but militaire sur le terrain, leur principal effet étant celui d'un "ultime avertissement", de nature politique, pour prévenir les dirigeants ennemis que les intérêts vitaux de la France sont désormais en jeu, et que le prochain échelon des représailles sera thermo-nucléaire.

Emploi civil

Des utilisations civiles des armes nucléaires ont été envisagées, et mises en oeuvre en Union Soviétique, pour le percement de canaux..

Énergie

Les applications l'énergie nucléaire concernent, pour l'essentiel, deux domaines:

Une autre application est la production d'isotopes radioactifs utilisés dans l'industrie (radiographie de soudure par exemple) et en médecine (médecine nucléaire et radiothérapie)

D'autres utilisations ont été imaginées, voire expérimentées, comme la production de chaleur pour alimenter un réseau de chauffage, le dessalement de l'eau de mer ou la production d'hydrogène.

Ces applications utilisent des réacteurs nucléaires ( appelés aussi piles atomiques, lorsqu'il s'agit de faible puissance, d'usage expérimental et de production de radio-isotopes).

Les réactions de fission nucléaires y sont amorcées, modérées et contrôlées dans le cœur: assemblage de combustible et de barres de contrôle traversé par un fluide caloporteur qui en extrait la chaleur. Cette chaleur est ensuite convertie en énergie électrique (ou en énergie motrice en propulsion navale) par l'intermédiaire de turbines (vapo-alternateurs).
Coeur de réacteur nucléaire
Coeur de réacteur nucléaire


Centrales nucléaires

Le premier parc mondial de centrales nucléaires est celui des États-Unis (104 réacteurs nucléaires pour une puissance de 98 GW), puis de la France (59 réacteurs nucléaires pour une puissance de 63 GW). En proportion, la Lituanie est le pays le plus dépendant de l'énergie nucléaire, avec 81% de son électricité produite à partir du nucléaire selon l'AIEA, la France venant en deuxième position avec 78% de son électricité produite à partir du nucléaire.

Les plus gros producteurs d'électricité nucléaire
Pays Production (TWh) Puissance installée (GW) Électricité nucléaire (%)
France 441 63 78 %
Suède 67 9 50%
Ukraine 81 11 45%
Corée du Sud 130 16 37%
Allemagne 165 21 28%
Japon 240 44 23%
Royaume-uni 89 12 22%
États-Unis 788 98 19%
Russie 150 21 16%
Canada 75 11 13%
Reste du Monde 409 55 9%
Total 2635 361 16%
(Source : Agence internationale de l'énergie, 2003)

Propulsion navale (militaire et civile)

Les bâtiments à propulsion nucléaire utilisent un ou plusieurs réacteurs nucléaires. La chaleur produite est transmise à un fluide caloporteur utilisé pour générer de la vapeur d'eau actionnant :

  • des turbines couplées aux hélices de propulsion (propulsion à vapeur);
  • des turbines couplées à des alternateurs alimentant en énergie électrique tout le bâtiment, et éventuellement des moteurs électriques de propulsion (propulsion électrique).

Environ 400 navires à propulsion nucléaire existent dans le monde, très majoritairement militaires, surtout des sous-marins, mais aussi des porte-avions et des croiseurs, et quelques navires civils (brise-glaces). Des cargos nucléaires ont également été expérimentés dans les années 1960 et 1970 ( l'américain Savannah, l'allemand Otto Hahn et le japonais Mutsu), mais leur exploitation ne s'est pas avéré rentable et, ces expériences ont été abandonnées.

Les coûts d'investissement et d'exploitation de la propulsion nucléaire ne la rendent véritablement intéressante que pour un usage militaire et particulièrement pour les sous-marins. Cette énergie apporte :

  • Une très grande autonomie permettant d'éviter en opérations la contrainte du ravitaillement en combustible (retour à un port ou ravitaillement à la mer). Sur les porte-avions, l'espace libéré par l'absence de soute à combustible, permet de consacrer plus de volume au stockage du carburant et des munitions des aéronefs.
  • Une propulsion totalement indépendante de l'atmosphère.
    • Alors que les sous-marins classiques sont contraint de remonter en surface (ou à l'immersion périscopique en utilisant un schnorchel) pour alimenter les moteurs diesel en air (oxygène) et, ainsi recharger leurs batteries électriques, après quelques dizaines d'heures de plongée aux moteurs électriques (quelques jours pour ceux dotés de propulsion AIP), les rendant ainsi détectables et vulnérables, les sous-marins à propulsion nucléaire peuvent rester plusieurs mois en plongée, préservant ainsi leur discrétion.
    • Ils peuvent également soutenir dans la durée des vitesses importantes en plongée qu'un sous-marin classique ne pourrait maintenir plus de quelques dizaines de minutes sans entièrement décharger ses batteries.

La propulsion nucléaire apporte donc aux sous-marins un avantage déterminant, au point que l'on peut qualifier les sous-marins classiques de simples submersibles.

Propulsion spatiale

Certains engins spatiaux comme Voyager ont déjà emporté des piles nucléaires pour alimenter leur électronique. Certains satellites ont également été munis de petits générateurs nucléaires. En revanche la propulsion nucléaire, au cas où elle serait possible, n'est encore qu'à l'état de projet. À poids égal, elle aurait l'avantage de produire une poussée, certes faible, mais constante pendant tout le trajet, alors que les engins spatiaux actuels ne peuvent produire qu'une seule poussée initiale après s'être extraits du lanceur (hors quelques ajustements de trajectoires) à cause de la faible contenance de leurs réservoirs (c'est pourquoi on les nomme balistiques, et c'est aussi pour cela qu'il leur faut atteindre la vitesse de libération dès le départ). Sur les longs trajets, interplanétaires par exemple, cette accélération continue serait globalement plus efficace que l'accélération ponctuelle utilisée actuellement.

Idéalement, avec une accélération constante de 1g sur la première moitié du trajet et une décélération de 1g sur la seconde, les étoiles les plus proches sont à la portée d'un équipage en une dizaine d'années de voyage (temps du vaisseau), d'après la relativité restreinte. Toutefois, plusieurs siècles s'écouleraient à l'extérieur, ce qui pose des problèmes de motivation politique pour entreprendre un tel voyage.

Le débat sur la production nucléaire d'électricité

Article détaillé : Débat sur l'énergie nucléaire

Les applications civiles de l'énergie nucléaire sont controversées en raison :

Les risques et les coûts ne sont pas évalués de la même façon par les pro- et les antinucléaires, qui se divisent aussi au sujet de l'utilité des applications nucléaires civiles et militaires, en particulier de la production d'électricité nucléaire.

La recherche dans le domaine de l'énergie nucléaire

  • Les pays les plus industrialisés se sont réunis autour du projet ITER, programme d'étude à long terme de la fusion nucléaire à des fins d'utilisation énergétique. C'est un projet de recherche qui a pour objectif la construction et l'exploitation expérimentale d'un tokamak de grande dimensions. Le réacteur sera construit à Cadarache en France.
  • L'étude de réacteurs de 4e génération, plus économiques et écologiques, est actuellement en cours. Elle pourrait déboucher d'ici à quelques années sur le remplacement d'une partie du parc électronucléaire français, celui-ci arrivant en fin de vie.
  • L'étude du cycle du thorium est actuellement en cours et le thorium pourrait supplanter l'uranium actuellement utilisé, car les réserves en thorium sont plus importantes que celles d'uranium. Toutefois, le thorium naturel est composé à 100% de l'isotope 232 qui n'est pas fissile mais fertile (comme l'uranium 238). Son utilisation est donc assujetie au développement de réacteurs surgénérateurs et des procédés chimiques de retraitement afférents.

Voir aussi

Bibliographie

  • Garcin Thierry. Le nucléaire aujourd'hui. Paris : LGDJ, coll. « Axes », 1995.
  • Géopolitique n° 52 (numéro spécial) Le nucléaire : un atout maître, hiver 1995-1996.
  • Mary Byrd Davis. La France nucléaire: matière et sites (2002). 340 pages, format 21,9x15 cm. [1]
  • Annie Thébaud-Mony. L'industrie nucléaire: sous-traitance et servitude. Ed. EDK et Inserm [2]

Articles connexes

Wikimedia Commons propose des documents multimédia sur l'énergie nucléaire.

Liens externes

Géopolitique

Exploitants et affiliés

Associations et anti-nucléaires

da:Atomkraft de:Kernenergie en:Nuclear power es:Energía nuclear fi:Ydinvoima it:Energia nucleare ja:原子炉 nl:Kernenergie pl:Energia jądrowa pt:Energia nuclear ru:ядерная энергия sl:Jedrska energija sv:Kärnkraft

Récupérée de « http://savoir.pingouin.org/index.php/%C3%89nergie_nucl%C3%A9aire »

Mirroir de Wikipedia