L’énergie de la fission nucléaire

Introduction

Vous trouverez sur cette page, le proccessus de fission nucléaire, et d'autre information sur l'énergie nucléaire.

La radioactivité

Stabilité

Généralement, la force forte est suffisante pour tenir les particules du noyaux ensemble, mais il arrive qu’un noyaux contienne trop de particules ou qu’il soit trop chargé d’énergie et que la force forte ne soit plus suffisante pour maintenir un équilibre au sein du noyau, le noyau est alors appelé instable ou fissile. Un noyau finit toujours par libérer son surplus d’énergie ou de particules en émettant des rayonnements. C’est ce phénomène de désintégration que l’on appelle radioactivité.

Les Rayonnements α, β et γ

Il existe trois formes de rayonnements radioactifs. Le rayonnement alpha qui se caractérise par l’émission d’un noyau d’hélium, aussi appelé particule alpha, c’est à dire deux protons et deux neutrons collés ensemble. Dans le cas d’un rayonnement bêta, un proton se transforme en un neutron (ou l'inverse), avec émission d'un électron ou un positon. Le positon est un électron, mais chargé positivement. La radioactivité gamma est une simple désexcitation du noyau, caractérisée par l’émission d’une onde électromagnétique, donc de même nature que l'émission de lumière ou de rayons X, mais d’une puissance nettement supérieure. Les désintégrations gamma sont généralement instantanées et suivent de très prés l'émission de particules alpha ou bêta.

Demi-vie

Comme dit précédemment, lors de la désintégration radioactive, le noyau subit un changement du nombre de proton, donc l’atome change d’élément. La période de demi-vie d’une substance radioactive indique le temps nécessaire pour que la moitié des noyaux d’atomes présents à l’origine se désintègre. Plus une matière est radioactive, c’est-à-dire plus la quantité de noyaux qui se désintègrent par seconde est élevée par gramme de matière, plus sa période de demi-vie est courte. Une petite période est donc une radioactivité élevée.

Mesures

L’activité montre le degré de radioactivité d’une quantité déterminée de substance, donc le nombre de noyaux d’atomes qui se désintègrent par seconde. L’unité de mesure de l’activité est le becquerel : 1 Bq = 1 désintégration par seconde.
L’efficacité biologique de l’irradiation d’un être vivant s’exprime par la dose. Elle dépend d’une part de l’énergie de rayonnement transmise à un kilo de masse et, d’autre part, de la nature du rayonnement, ainsi que de la radiosensibilité des organes concernés. L’unité de la dose est le sievert. La dose moyenne de la population suisse s’élève à environ 4 milliSievert par personne et par an. Un quart environ de la dose totale annuelle provient des applications médicales des radiations, et moins de 5 % d’autres sources artificielles.

L’uranium

L’élément uranium existe sous trois forme différentes : l’uranium 238 qui est le plus fréquent, le 235 plutôt rare et le 234 avec seulement quelques traces. Parmi ces trois isotopes seul l’uranium 235 peut subir une réaction en chaîne, le procédé qui permet de produire de l’énergie à partir d’uranium. La fabrication de combustible commence avec l'uranium, métal extrêmement lourd présent sous forme de minérale dans des gisements souterrains de plusieurs régions du monde. Après son extraction, le minerai d'uranium est broyé, traité, affiné et, dans certains cas, enrichi avant de servir à la fabrication de combustible nucléaire ou d'armes nucléaires.

Minerai d'Uranium

L’extraction d’uranium

L’uranium est un métal qui est 500 fois plus fréquent sur terre que l’or. Il y en a donc beaucoup et dans de nombreux pays. Les pays avec les mines les plus productives sont le Canada, l’Australie, la Namibie et le Niger. On extrait le plus souvent l’uranium à ciel ouvert ou dans des mines de 120-200 mètres de profond dans lesquelles on extraits aussi d’autres matières comme l’or, l’argent, le cuivre et le vanadium, ainsi on fait du profit avec l’uranium mais aussi avec les autres matières trouvées. Le transport du minerai ne ce fait pas directement après l’extraction parce qu’il reste une part élevée de stériles inutilisables dedans. Un concentré d’uranium est donc fait sur place. Puis après un traitement chimique on obtient un produit appelé « yellow cake », une poudre jaune qui contient environ 70% d’uranium. Après celui-ci est purifié. Par deux méthode la centrifugation gazeuse et diffusion gazeuse. Si la teneur d’uranium dans une mine est très élevé (comme dans certaines mines canadiennes), les minerai est extrait par télécommande. Dans les mines occidentales, la production d’uranium est soumise à des lois très strictes en matière de protection de l’environnement. Le respect de ces lois est sous surveillance depuis la prospection jusqu’à la fermeture de la mine.

Mine à ciel ouvert eau Gabon

Yellow Cake

La fission

Le procédé pour créer de l’énergie à partir de l’uranium s’appelle la fission des noyaux d’atomes par des neutrons. Quand un neutron frappe un noyau fissile, Le noyau se divise en plusieurs parties que l’on appelle des produits de fissions. Lors de la fission, le noyau émet des rayonnements radioactifs et libère une grande quantité d’énergie sous forme de chaleur. Chaque fission nucléaire libère deux à trois neutrons qui peuvent déclencher de nouvelles fissions qui provoqueront de nouvelles fissions, qui provoqueront de nouvelles fissions, etc. Ce phénomène s’appelle la réaction en chaîne auto-entretenue.

Production d’énergie, différents réacteurs

Et dans le réacteur ?

La fission nucléaire produit de la chaleur qui transforme l’eau en vapeur qui actionne la turbine et avec elle l’alternateur pour produire de l’électricité.

Réacteur à eau sous pression

Le réacteur à eau sous pression est le type de réacteur qui équipe les 2/3 du parc mondial.

Le bâtiment d’un réacteur est composé de trois parties :

Le combustible.
Les barres de commandes avec lesquelles on contrôle le combustible.
L’eau que l’on utilise pour transporter la chaleur dégagée par la réaction et ensuite pour produire de l’électricité.

Contrôle

Quand on fait une réaction en chaîne on veut qu’une fission donne une fission et pas 2 ni 3, ni 4, ce qui entraîne un emballement.

Pour contrôler cette réaction on a 2 éléments absorbeurs :

Les barres de commandes
De l’acide borique dissout dans de l’eau

Production d’électricité

Le réacteur produit de la chaleur (en 1) qui permet de faire chauffer de l’eau. L’eau circule dans le circuit primaire (en 2). Le pressuriseur (en 3) maintient une pression constante de l’eau du circuit primaire et empêche l’eau de bouillir. Dans le générateur de vapeur (en 4), le circuit primaire échange sa chaleur avec un autre circuit d’eau, indépendant appelé circuit secondaire (en 5). Cette eau vas se vaporiser. La vapeur est ensuite conduite dans la salle des machines…

…où elle fait tourner une turbine (en 6), qui elle fait tourner l’alternateur (en 7) ce qui produit l’électricité. Enfin (en 8) un troisième circuit d’eau, indépendant des deux autres intervient pour refroidir le circuit secondaire. Ainsi l’eau du circuit secondaire peut de nouveau être chauffée au contact du premier circuit et jouer son rôle de vecteur de chaleur.

Refroidissement

Pour des raisons relevant de la physique, une partie de l’énergie thermique reste non utilisée. Cette partie doit être évacuée. Après avoir donner son énergie utile, la vapeur (énergie thermique) est envoyé dans le condenseur, là, elle est retransformée en eau puis est renvoyé dans le circuit pour produire de la vapeur. Le refroidissement du condenseur peut se faire par l’eau d’un fleuve ou d’une mer.
Ce procédé augmente la chaleur de l’eau et en utilise beaucoup. Si on ne veut pas utiliser tant d’eau on construit une tour de réfrigération. L’eau de refroidissement circule dans un circuit séparé et n’entre pas en contact direct avec la vapeur ou avec l’eau du circuit des turbines.

Fresque sur la tour de réfrigération de la centrale nucléaire française de Cruas, dans la vallée du Rhône.

Tour de réfrigération

L’eau de refroidissement, échauffée dans le condenseur, parvient par un système de canaux sur les plaques de ruissellement de la tour de réfrigération; elle retombe en fines gouttelettes, comme dans une douche gigantesque, et transmet sa chaleur à un courant d’air ascendant. Au cours de l’opération, 2 à 3 % de l’eau de refroidissement s’évaporent et forment un panache de vapeur caractéristique plus ou moins bien visible selon l’humidité de l’air, la température et la force du vent.

L’eau de refroidissement sous forme de fines gouttelettes est collectée dans le bassin de la tour de réfrigération et ramenée au condenseur.

Déchets

Qu’est-ce que les déchets ?

Les déchets proviennent de la fission nucléaire. Mais il n’y a pas que la fission qui se déroule dans le réacteur, il y a aussi la formation, à partir de l’uranium, d’atomes plus lourds que l’uranium appelés transuraniens. Après 3-5 ans d’utilisation, le combustible est usé, au départ, il contient 3-5 % d’uranium 235 fissile et là il n’y en a que 1%. Il contient par contre quelque 3 % de produits de fission et 1% environ de transuraniens, essentiellement du plutonium 239. Comme l’uranium 235, celui-ci est fissile et contribue à la production d’énergie. L’uranium et le plutonium peuvent se recycler par retraitement du combustible usé. Les produits de fission restants et les transuraniens non réutilisables constituent des déchets de haute activité

Gestion des déchets

Les déchets radioactifs sont très nocifs, mais il faut minimiser ce risque, le volume de déchets radioactif et beaucoup plus faible que celui des déchets spéciaux toxiques provenant de la chimie et de l’industrie. Une centrale nucléaire comme toute chose à une fin, quand on doit la démanteler il faut d’abord démolir l’ensemble des équipements techniques et des bâtiments Les déchets restant sont de l’acier et du béton légèrement irradiés par un contact avec des matières radioactives Les parties d’installation où la radioactivité adhère en surface dans la poussière ou la rouille peuvent être stocké définitivement ou être décontaminées. Dans la plupart des cas, les incrustations radioactives peuvent s’enlever avec des méthodes de nettoyage spéciales, et de toutes façons être fortement diminuées. Les déchets qui restent radioactif vont dans un dépôt et le métal non contaminé va à la ferraille.

Le stockage définitif

Le stockage définitif permet d'isoler les déchets radioactifs de telle manière qu'ils ne pénalisent ni les générations futures, ni l'environnement. Plusieurs dépôts définitifs pour déchets de faible et de moyenne activité provenant des centrales nucléaires, de la médecine, de l'industrie et de la recherche sont déjà en service dans le monde. Ils sont aménagés pour la plupart à une profondeur de quelques mètres à quelques centaines de mètres. On projette d'aménager de tels dépôts définitifs à une profondeur allant jusqu'à mille mètres.

Dépôt définitif suédois près de Forsmark

Les risques

Exposition à la radioactivité ou irradiation

Une dose extrêmement forte d’irradiation entraîne des lésions fatales sur les cellules. Les scientifiques n’ont pour l’instant pas pu prouver qu’une faible dose provoque des séquelles.
Les effets sur l’organisme varient selon que les éléments radioactifs ait été seulement en contact avec la peau : contamination externe, ou bien qu’ils ait été respirés, avalés, ou en contact avec des blessures : il s’agit alors d’une contamination interne. La contamination, qu’elle soit externe ou interne, entraîne automatiquement une irradiation, puisque les particules émises rayonnent.
On parle d’irradiation externe quand le corps est exposé à des rayonnements émis par des sources extérieures, non en contact du corps. En cas d’irradiation globale, c’est-à-dire du corps entier, le tissu critique est la moelle osseuse. Donc un risque de paralysie. En cas d’irradiation partielle, les tissus les plus sensibles sont ceux des organes reproducteurs (stérilité temporaire ou définitive), le cristallin (cataracte) et la peau. Le cancer est une maladie qui a été constaté chez des animaux qui ont été fortement exposé à des radiations. Il y a parfois aussi un changement de l’ADN.
Les effets des faibles doses, si ils existent, sont si minimes qu’ils ne comptent pas par rapport à d’autres facteurs tels que les poisons environnementaux et le tabac. Il n’y a aucune différence entre les effets ou la nocivité des rayonnements naturels et ceux des rayonnements artificiels.

Radioprotection

La radioprotection, la protection contre les rayonnements, est soumise à des lois strictes partout où l’on utilise des rayonnements artificiels. On utilise le rayonnement naturel comme norme de référence pour l’utilisation sûre de rayonnements artificiels et pour la limitation des doses de rayonnement. Pour ce protéger des rayonnements dans les centrales nucléaires on utilise des blindages épais, on limite les séjours près des sources, et bien sûr, une propreté suisse allemande afin d’éviter tout contact inutile entre le personnel des centrales et les substances radioactives.

Les avantages

Le nucléaire est économique

Les producteurs d’électricité font confiance au nucléaire parce qu’il n’y a pas de grandes variations de prix de l’uranium, au contraire de l’énergie fossile comme le pétrole. Comme vous le savez sûrement les déchets des centrales doivent être stockés dans des conditions spéciales, le prix de ce stockage est compris dans le prix de production de l’électricité avec aussi le prix du démantèlement de la centrale. Le coût de tout ceci s’élève à 15 milliard de francs, mais jusqu’en 99 les centrales on déjà fait 8 milliards de recettes, ce qui prouve que tout ceci est rentable.

Le nucléaire est écologique

Les carburants rejettent beaucoup de CO2 dans l’atmosphère. Pour résoudre ce problème on a du trouver d’autre sources d’énergies, comme par exemple le gaz, l’énergie solaire, les éoliennes et le nucléaire. Comme nous l’avons vu, les centrales nucléaires ne rejettent pas de CO2 dans l’atmosphère, le CO 2 qui est le principal gaz à effet de serre.
Il ne faut pas penser que le nucléaire est LA solution au problème d’émission de CO2, mais qu’il est plutôt une partie de la solution.

Vision d’avenir

Si toute les centrales continuent à fonctionner comme maintenant, avec les mines d’uranium que l’on connaît maintenant on peut tenir 50 ans, mais comme actuellement les recherches de mines ne sont pas encore très développer on peut penser qu’avec les nouvelles mines qui seront découvertes et les améliorations des technologies on pourra continuer à utiliser les centrales durant plusieurs millénaires.

Tchernobyl

Le réacteur de Tchernobyl présentait des faiblesses, en particulier des instabilités de fonctionnement. Ces instabilités ne sont cependant pas la cause première de la catastrophe. Le 26 avril 1986, au cours d'une expérience d'amélioration de sécurité, et à la suite de plusieurs erreurs de jugement, un réacteur de la centrale de Tchernobyl s'emballe et explose. L'équipe de conduite avait voulu profiter d'un arrêt du réacteur pour étudier le refroidissement du cœur dans l'éventualité d'un non démarrage des circuits de secours. Elle a fait fonctionner le réacteur à des régimes interdits par des consignes d'exploitation et a supprimé les dispositifs de sécurité permettant de l'arrêter. Il a fallu six erreurs humaines graves pour engendrer la catastrophe. L'absence d'une enceinte de sécurité extérieure a aggravé son ampleur. Environ 4 % des substances radioactives contenues dans le réacteur furent rejetées dans l'atmosphère, dont 50 % du césium et de l'iode et 100 % du xénon. Le nuage radioactif s'éleva à 10 000 mètres d'altitude. Les vents l'ont étalé sur des millions de kilomètres carrés et l'ont entraîné vers l'ouest et le nord de l'Ukraine. Au moment de l'émission, l'activité du nuage provenait pour 46 % d'iode-131, 36 % de tellure 132, 7 % de baryum-140, de 4 % de radium-137 et 2 % de césium-134. Les doses reçues dans les trois ans après l'accident par les 273000 personnes habitant les zones contaminées près de la centrale sont en moyenne de 35 milliSievert et varient de 5 à 200 milliSievert. Les doses reçues par les populations européennes varient de 0,05 à 0,5 milliSievert l'année de l'accident. Rappelons que la radioactivité naturelle nous expose à environ 2,4 milliSievert par an. Nos sociétés prospères oublient parfois que la catastrophe est d'abord ukrainienne, biélorusse et russe. Ses victimes passées et futures le sont aussi.