Note: Voici un survol sur l'énergie nucléaire, plus long et plus détaillé que celui de la section (S-8). Il a été présenté par David P. Stern, comme participant à une présentation dynamique (« flexbook ») sur la physique en Virginie organisée par la fondation CK-12, selon un protocole de "contribution et partage entre tous". Il a été conçu comme complément à l’enseignement à la physique, à l’école secondaire. Il comporte également des problèmes et des questions.

1.     La matière est constituée d'atomes et de molécules.
   
2.     Les atomes et les molécules sont constituées de particules électriquement chargées - les électrons négatifs et les noyaux compacts et positifs. La chimie dépend des forces électriques entre ces particules.
   
3.     Les électrons et les parties positives des atomes peuvent être séparés et accélérés. Une grande partie de notre physique est basée sur l'étude des collisions entre ces particules.
   
4.     Les noyaux atomiques sont composés de protons , positifs, et de neutrons, sans charge et légèrement plus lourds (l'ensemble est appelé collectivement «nucléons") . Dans un noyau, ils sont en nombre presque égal .
   
5.     Les noyaux atomiques des différentes variétés d’un élément chimique contiennent le même nombre de protons, mais le nombre de neutrons varie légèrement en fonction des différents isotopes.
   
6.     La quasi-totalité de la masse d'un atome se trouve dans le noyau.
   
7.     Au fur et à mesure que les atomes stables s'alourdissent, leur rapport neutrons / protons augmente.
   
8.     Les atomes, dont les noyaux sont instables (par exemple, dont le rapport  ci -dessus est anormalement grand ou petit) se transforment en émettant des radiations alpha, bêta et gamma , appelés rayonnements nucléaires.
   
9.     Le rayonnement électromagnétique regroupe l’ensemble des ondes à propagation électromagnétiques, y compris la lumière, la radio, les micro-ondes, les rayons X et même les rayons gamma. Mais les rayons alpha et bêta sont des noyaux rapides d'hélium et des électrons
   
10.     Au niveau des dimensions atomiques, les lois de la physique sont progressivement modifiées au profit de la physique quantique. En particulier, celle-ci montre que l’onde électromagnétique, qui est une perturbation se propageant comme les vagues, possède une énergie émise et absorbée par des particules, semblables à des paquets, appelés photons. La mécanique quantique explique les fréquences précises de la lumière émise  à partir de transitions entre différents niveaux d’énergies des atomes.que la désintégration radioactive.

1.     Les masses des noyaux peuvent être précisément mesurées par les "spectrographes de masse". Ils diffèrent de la somme des masses de leurs particules de par l'énergie de liaison E,  l'énergie qu'il faut pour les séparer. E se réfère à Einstein : E = mc² , où m est la différence de masse.
   
2.     Pour les noyaux légers, l'énergie de liaison par nucléon augmente généralement proportionnellement à la masse nucléaire, parce que plus la masse nucléaire augmente, plus l'énergie de la force nucléaire assure leur cohésion. Cette force est cependant d’une portée très courte, et, au delà du fer (56 nucléons) ) la force répulsive de la charge positive des protons entraîne une diminution de l'énergie de liaison par nucléon. .
   
3.     La plupart des éléments composés de plus de 200 nucléons sont instables , en raison de la force perturbatrice ci-dessus, et se décomposent par radioactivité. Il n' y en a pas dans la nature de plus de 238 nucléons (uranium 238). Les noyaux synthétisés artificiellement avec une masse encore plus grande se dégradent encore plus vite.

1.     Les noyaux très lourds peuvent se désintégrer par fission en deux parties inégales, libérant beaucoup plus d'énergie que la désintégration radioactive (typiquement 50-100 fois).
   
2.     L' Uranium avec ses 235 nucléons (U-235) représente 0,7% de l'uranium naturel. Si ceux-ci sont atteint par un neutron (même très lent) ils fissionnent. Même chose pour le Plutonium Pu-239 , formé (avec une étape intermédiaire) lorsque l'uranium 238 capture un neutron, tout comme U-233. (Pu-240 subit une fission spontanée).
   
3.     Les "produits de fission" sont extrêmement instables, parce que leur rapport neutron / proton est beaucoup plus grand que celui des noyaux stables qui possédent le même nombre de protons. Ils émettent en moyenne plus de 2 neutrons par fission, dans 98% des cas "très rapidement" . Le reste est toujours dangereusement radioactif pendant de nombreuses années. Si un de ces neutrons au moins est réabsorbé par U-235 ou du plutonium, une autre fission peut en résulter, conduisant à une "réaction en chaîne."
   
4.     Avec du U -235 relativement pur, ou du PU-239, la réaction en chaîne peut provoquer une explosion nucléaire. Dans les réacteurs nucléaires, les neutrons sont ralentis par collisions avec les atomes d'un modérateur , comme le carbone pur ou l'eau (en particulier "l'eau lourde"). Cette réaction peut être contrôlée par des tiges de cadmium qui absorbent les neutrons. Dans une réaction nucléaire contrôlée, la chaleur produite par la fission est généralement évacuée par de l’eau sous pression, qui se transforme en vapeur, pour alimenter des turbines qui font tourner des générateurs d'énergie électrique.
   
5.     Le combustible partiellement utilisé doit être retraité --pour en extraire le "carburant" imbrûlé,  éliminer aussi le plutonium généré lors de l’absorption de neutrons par l'uranium 238  et les produits de fission qui absorbent les neutrons et retardent le processus de fission. Ces déchets restent dangereusement radioactifs pendant des siècles et doivent être entreposés loin des habitants et des eaux souterraines
   
6.     Les réacteurs fonctionnent  mieux et peuvent être de taille plus réduite si la fraction d'U-235 du carburant est d'abord enrichie , par passages successifs, en cascades, à travers des parois poreuses ou par centrifugation rapide, à l'aide du gaz UF 6. UF₆.

1.     Le contrôle traditionnel des réactions nucléaires utilise des barres de contrôle , absorbant les neutrons, enfoncées automatiquement dans le coeur du réacteur pour freiner la réaction ou retirées pour l'accélérer. Seule une marge de 2% (selon que les neutrons sont émis avec un retard d'une seconde ou deux) n’est disponible (pour le cœur d’un réacteur donné) entre une réaction d'emballement et un ratage!
   
2.     Même si le réacteur est désactivé, l'eau de refroidissement doit continuer à circuler, parce que l'énergie radioactive continue à être libérée pendant un certain temps, ce qui est assez pour produire la «fonte» du coeur du réacteur. Cela est arrivé en Mars 1978, à Three Mile Island , Pennsylvanie, mais le réacteur était placé à l'intérieur d’une "enceinte de confinement", en béton épais, et cela a prévenu toute fuite de radioactivité.
   
3.     En Russie, le réacteur nucléaire de Tchernobyl , près de Kiev (aujourd'hui Ukraine) était « modéré » par du carbone et n'avait pas de bâtiment de confinement. Une manoeuvre dangereuse, en 1986, a provoqué une réaction d'emballement, soufflant le couvercle et provoquant un incendie qui répandit des débris radioactifs dangereux à travers l'Europe.
   
4.     Un surgénérateur (réacteur à neutrons) utilise très économiquement les neutrons à chaque fission - un pour continuer la réaction en chaîne, et au moins un autre qui est capturé par de l'uranium 238 (ou du thorium 232), en les convertissant en carburant utilisable - le plutonium 239 ou l'uranium 233. En principe, un réacteur à neutrons peut donc extraire l'énergie de tout son uranium ou son thorium.
   
5.     Le premier réacteur expérimental a démarré le 2 Décembre 1942 à Chicago. En 2009 l'énergie nucléaire produit la plupart de l'électricité en France, environ 20% aux USA, et des taux comparables ou plus importants en Espagne, Japon, Allemagne, Grande-Bretagne et la Russie.

"L’Énergie nucléaire " se poursuit avec (S-8A-1)   Les fondamentaux : atomes et noyaux

"From Stargazers to Starships" (Des observateurs aux observateurs de l'espace) continue avec les sections sur les vols spatiaux et des satellites, en commençant par Le principe de la fusée

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Auteur et responsable:   Dr. David P. Stern
     Mail au Dr.Stern:   stargaze("at" symbol)phy6.org .

Dernière mise à jour: 3-15-2009

Traduction : Guy Batteur ( guybatteur@wanadoo.fr), le 26 Nov. 2009