La fission spontanée se
produit pour les
éléments artificiels plus lourds que l'uranium.
Et aussi lors de l' l'absorption d'un neutron
par un noyau approprié d'uranium --235U
or 233U--ce qui peut aussi
déclencher une fission.
Même s’il est projeté directement sur un
noyau, un proton doit être
accéléré avec une énergie
considérable pour vaincre les forces électriques
de répulsion et pénétrer suffisamment
pour
être soumis à la force nucléaire forte.
Par contre, le neutron n’est pas repoussé et peut
atteindre sa cible, même en se déplacant
très lentement - par exemple, un neutron thermique
dont l'énergie est comparable à
celle des molécules de la matière habituelle ou
de l'air, environ 0,03 eV.
Imaginons que la cible que constitue le noyau soit d'une taille bien
précise : alors, la "nuclear cross section"(
coupe transversale
du noyeau)
, est la zone que doit frapper le projectile pour
que soit assurée la réaction (qui est
aussi proportionnelle à la probabilité
qu’a le projectile de "coller "au noyau »).
Les "coupes transversales" du noyeau sont mesurées en barns,
1 barn correspondant à une cible d’une taille de 10-24
cm2
(«grand comme un barn " disent les physiciens
nucléaires). La coupe transversale d’un noyau
que necessite la frappe d’un neutron
varie selon l’isotope, et selon l'énergie des
neutrons (de même pour les autres particules en cours de
collision).
Par exemple, un neutron "thermique" a peu de possibilité de
toucher un noyau d'hydrogène lourd (isotope 2H
ou deuterium)
parce que ce dernier possède
déjà un neutron supplémentaire.
Lorsque un neutron atteint sa cible nucléaire, on peut
mettre en
évidence
l’accélération de
l’attraction nucléaire : en effet, la rencontre se
fait avec une énergie appréciable, en
bouleversant
le noyau cible.
Les effets de cette énergie supplémentaire sont
variables :Le noyau cible peut simplement émettre un photon
(fin de réf. #11), prélevé
au niveau des rayons
γ, ou subir quelques changements de structure - par exemple,
le neutron peut se transformer en proton, en
émettant un
électron (radioactivité β).
Mais avec l’ 235U --l' isotope
composant environ 0,7% de l'uranium naturel - le résultat
est généralement une
fission nucléaire, éclatant
le noyau en deux fragments dont la composition peut varier
mais dont le rapport des masses est en règle
générale proche de 2:1.
La fission nucléaire a été
découverte en Allemagne en 1939 par Hahn, Lise Meitner et
Strassman.
(A l’époque,
l'Allemagne était
nazie - Hahn a reçu son prix Nobel en 1944, mais Lise
Meitner, sa
collaboratrice de longue date, qui était juive,
n’a eu que la chance de pouvoir
s’échapper en Suède).
Très vite, tous les
physiciens estimèrent que ce processus pourrait fournir une
énergie utilisable.
Non
seulement l’énergie nucléaire y
était appréciable, mais, plus
important encore, libérait des neutrons additionnels,
autorisant ainsi une auto réaction
en chaîne. .
La
réaction en chaîne
Comme déjà vu, la force nucléaire
faible tend à égaliser le nombre de protons et de
neutrons dans le noyau. Mais comme les protons sont positivement
chargés, ils s’éloignent l’un
de l’autre et il faut une certaine énergie pour
les circonscrire à leur minuscule noyau. Ce passage
à un état stable nécessite des
neutrons extérieurs.
L’isotope principal du fer possède 26 protons et
30 neutrons, soit 53,6% du total pour les neutrons.
L’Uranium (235U)
en possède respectivement 92 et 143, soit environ 61%. Entre
ces deux extrêmes, la proportion des neutrons dans les noyaux
est intermédiaire, mais correlative avec la masse
de plus en plus
lourde.Supposons qu’un noyau de U-235 soit fissuré
en isotopes dont les plus stables ont une proportion de 56% de
neutrons. La distribution de départ dans le noyau parent
étant en fait de 61%, il reste un excès de 4.7
neutrons pour chaque noyau fragmenté.
Les noyaux qui ne possédent qu’un ou deux neutrons
de plus que leur isotope le plus stable restent également
toujours stables. Si l’excédent de neutrons
est un peu plus important, l’ajustement est possible
grâce
à la β-radioactivité,
par émission d’un électron ou
d’un neutron qui se transforme en proton.
Dans le cas d' une répartition encore plus
inégale, le
processus se déroule plus radicalement : tous les neutrons
sont éjectés. Lors de la capture d’un
neutron thermique dans 235U, 2,3
neutrons par fission sont
libérés en moyenne, 98% "à
l’instant même" et 2% en retard
d’une seconde ou deux. Ces chiffres sont tout
à
fait importants.
Le réacteur nucléaire
Pour créer une réaction en chaîne et la
poursuivre, il faut un peu plus d'un neutron par
fission. On pourrait croire qu’avec 2,3 à
neutrons effectivement générés on
obtient un excès de neutrons suffisants mais en
réalité les choses ne sont pas si simple (référence
12).
Primo , les neutrons qui
s’échappent à la
surface du combustible d'uranium sont
«perdus» pour la réaction en
chaîne. Il faut donc une "masse critique"
pour réaliser cette réaction. Une masse d'uranium
de la taille d'une cacahuète est trop mince - un trop grand
nombre de neutrons s’échappent en vain (et la
forme de l'uranium peut également faire la
différence).
Secundo, il vaut mieux
utiliser les
neutrons thermiques pour contrôler la
vitesse de
la réaction. (Il existe des réacteurs
nucléaires utilisant des neutrons rapides, mais ils sont
difficiles à concevoir et à mettre en oeuvre,
parce que l'énergie y est entièrement
libérée sous un très petit volume,
d’ou un véritable défi à
l’évacuation de la chaleur. Les bombes
à fission utilisent des neutrons rapides). Les neutrons de
la fission démarrent avec une énergie importante,
et il faut les ralentir dans un "modérateur"
, par de multiples collisions autour de leur lieu de
création. Le modérateur idéal est fait
d’un matériel qui ne risque pas de les absorber,
avec des atomes légers pour maximiser le transfert
d'énergie: les choix habituels se portent sur "l'eau lourde"
D2O --où D est la notation habituelle
du deutérium, l'isotope lourd de
l'hydrogène (c'est-à-dire 2H)--
ou sur le carbone très pur, sous forme de graphite, la
matière des mines de crayon.
[Figure 4 -- Les barres de combustible dans un modérateur de
neutron]
Le carburant d’un réacteur moderne, est en
principe disposé dans des barres
(ou au creux de tubes d'acier inoxydable), convenablement
réparties dans un bassin d'eau lourde (dans certains
modèles, d'eau ordinaire), ou dans un ensemble de trous
creusés dans un noyau de briques de carbone (dessin).Les
neutrons qu’une fission libère dans une barre
circulent rapidement dans le
modérateur, y sont ralentis à la vitesse
thermique, puis après un certain temps atteignent une autre
barre (à moins qu'ils ne s'échappent ou ne soient
capturés) et y initient une nouvelle fission.
Bien sûr, l'énergie extraite apparaît
sous forme de chaleur
: les fragments de la fission, extrêmement rapides, percutent
le modérateur et finalement y répartissent leur
énergie. Si le modérateur est de type «
eau » (lourde ou "légère"), il est
maintenu sous pression pour augmenter sa température,
puisque l'extraction d'énergie est plus efficace avec une
température élevée. Pour un
modérateur solide, des canalisations véhiculent
de l’eau, qui extrait la chaleur, ou un autre fluide, - voire
même du métal : du sodium liquide - (dans les
réacteurs à neutrons rapides), une substance
extrêmement délicate qui s’enflamme
à l’exposition à l'air.
D'autres canalisations, sous haute pression, sont reliées au
système d’extraction de la chaleur et conduisent
à des turbines à vapeur classiques (comme celles
des centrales électriques thermiques), elles mêmes
alimentant des générateurs
électriques. La vapeur, alors refroidie par son expansion,
est retransformée en eau dans des tours de refroidissement
(souvent caricaturées comme de menaçants symboles
de l'énergie nucléaire, même si elles
ne traitent que de la vapeur) qui la renvoie au réacteur
afin de récupérer un peu plus de chaleur.
Tertio, les fragments
de la fission
s'accumulent au fur et à mesure de la consommation du
combustible. Ils sont souvent
très radioactifs ou "chauds" ( la perte
de
2-3 neutrons les rend plus stables, mais insuffisamment) et leur
élimination est un défi majeur. Ils peuvent
rester " chauds" pendant des années et même des
siècles, et il faut les maintenir hors du contact avec la
vie ou l'eau souterraine. Parce que la radioactivité
dégage de l'énergie, donc de la chaleur, il faut
d'abord les
refroidir.
Retraitement
et enrichissement
Avant d'être remisée, une barre doit absolument
être retraitée.
Elle contient encore un peu de carburant réutilisable.On
peut de plus en extraire et en utiliser certains isotopes radioactifs
issus
de la fission comme sources de rayonnement, pour la médecine
ou la recherche. Mais d’'autres isotopes radioactifs sont de
purs déchets et doivent être tenus hors du contact
du milieu naturel.
L'uranium naturel, utilisé dans les premiers
réacteurs, se consume rapidement et on lui
préfère l’"uranium enrichi"
dont la proportion de 235U est
augmentée par "enrichissement".
Les caractères
chimiques des différents isotopes étant
pratiquement identiques, il n’est pas possible de les
séparer chimiquement et il faut utiliser un
procédé non chimique, basé sur des
composés gazeux tels que UF6.(
hexafluoride d'uranium). Combinées à ce gaz, les
molécules de 235U
deviennent environ 1% plus légères que celles de 238U,
se déplacent donc plus rapidement à une
température donnée et diffusent plus vite
à travers des parois poreuses. On peut
aussi utiliser une centrifugeuse spéciale
dont la rotation très rapide
peut « irradier » les molécules lourdes
et les concentrer dans les couches externes.
Dans les deux cas, la différence de concentration est
très faible, les isotopes ainsi
séparés ayant une masse très voisine.
En conséquence, les séparateurs d'uranium doivent
être montés en cascade de
plusieurs unités, successivement alimentées par
la partie précédemment enrichie, les
déchets étant renvoyés au
stade précédent.
[L'uranium complètement appauvri est parfois
utilisé comme munition pour percer des blindages, car il est
très dense et, à la vitesse d’une
balle, développe beaucoup d'énergie
cinétique.]
En principe, le combustible d’un réacteur
s’enrichit constamment en isotope 238U.
mais l’absorption de neutron rend instable cet isotope
nucléaire qui, après quelques
modifications, se
transforme en plutonium 239Pu
, un élément
artificiel comprenant 94 protons. Le plutonium est aussi un combustible
nucléaire, et une partie de l'énergie
dégagée par un réacteur
nucléaire provient de sa fission..
Le retraitement du combustible nucléaire
est difficile, car il est trop dangereux pour les humains de le traiter
directement une fois usagé.
Tout l’appareillage utilisé pour le retraitement
est télécommandé - même pour
la manipulation et le transport des barres de combustible
usagées - et il faut les sécuriser pour longtemps
en cas de stockage (comme pour le combustible usé). Comme
certains
produits de fission absorbent des neutrons, ce qui en réduit
l'efficacité (empoisonnement du réacteur),
c’est une des raisons pour laquelle il faut extraire des
réacteurs le combustible partiellement utilisé et
le retraiter.
Actuellement, les États-Unis ont cessé de
retraiter les combustibles usagés provenant des centrales
électriques, et les "refroidissent " dans des bassins
situés à proximité des
réacteurs, mais ce retraitement est sur le point
d'être repris. La France, où
l’énergie provient avant tout de la fission, la
Russie et d’autres pays, maintiennent avec succès
leurs centres de retraitement.
Pour le plaisir:
Les réacteurs nucléaires
– qui fonctionnent sans air et ne
doivent pas souvent être ravitaillés - sont des
sources d'énergie idéales pour les sous-marins.
Des réacteurs à fission ont également
été conçus pour l'
alimentation des engins spatiaux.
(référence
#13).
Les États-Unis ont lancé SNAP 10-A en 1965, mais
il a été arrêté
après 43 jours en raison de dysfonctionnements.La Russie
soviétique a lancé de nombreux
réacteurs, qui ont ensuite été
isolés et envoyés sur des orbites
plus élevées, avec une durée de vie
portant sur des siècles.
Ce programme a pris fin lorsque la manœuvre a
échouée pour le réacteur de Cosmos
954, un radar de surveillance océanique. Le
satellite s'est écrasé avec son
réacteur le 24 Janvier 1978 dans un lac gelé du
Canada, provoquant de vives protestations. Ce fut la fin de
l'utilisation des réacteurs dans l'espace.
Par ailleurs, la chaleur radioactive dégagée par
le plutonium est utilisée dans les GTR (Radioisotope Thermal
Generators) pour alimenter des sondes spatiales extérieures
au système solaire, trop éloignées du
soleil pour que des cellules solaires soient suffisamment puissantes.
Les GTR perdent progressivement leur puissance en 20-30 ans et, bien
sûr ne reviennent jamais dans le voisinage de la Terre.
-----------
L'Allemagne nazie essaya aussi de
développer l'énergie nucléaire pendant
la Seconde Guerre mondiale, à une échelle
beaucoup plus limitée que les puissances alliées.
Mais comme le graphite avait été
considéré comme inadapté, car les
échantillons testés pour le modérateur
n’étaient pas assez purs et absorbaient trop de
neutrons, il fut remplacé par un sous-produit des centrales
hydro-électriques de Norvège, "l'eau lourde". La
résistance norvégienne a efficacement
saboté la production de celle-ci.
Problèmes
( Réponses en section S-8A-5)
(1) (Pour ce problème,
résoudre d’abord le problème (5) de la
section précédente) Sachant qu’un noyau
de 235U libère 200 Mev dans une
fission (en tenant compte de certains processus secondaires, le total
moyen est de 215 Mev), combien de tonnes de TNT faut-il pour obtenir
l'énergie produite par la fission complète de 1
gramme de 238U ?
(2) Etablir un glossaire
définissant brièvement par ordre
alphabétique, avec vos propres termes :
Barn (unité), enrichissement isotopique en cascade,
réaction nucléaire en chaîne , masse
critique, coupe transversale nucléaire ((pour
l'interaction nucléaire),
neutrons ralentis, enrichissement (d'uranium), fission
(nucléaire), fragments de fission, barres de combustible,
graphite, eau lourde, séparation des isotopes par
centrifugation, séparation isotopique par cloison poreuse,
photon, plutonium, «empoisonnement» d'un
réacteur nucléaire, neutrons rapides,
retraitement de combustibles nucléaires, neutrons
thermiques. |
Index
