Défi énergétique/Zoom sur l'énergie nucléaire

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Découverte de la radioactivité naturelle

Bref historique

En 1896, Henri BECQUEREL se rend compte que les sels d'uranium émettent leur propre lumière : ceux-ci impriment des plaques photographiques ! Il chargea la jeune Marie CURIE d'analyser ces sels et elle y trouva deux autres éléments encore plus radioactifs : le polonium et le radium. Henri BECQUEREL, Marie CURIE et son mari Pierre CURIE ont été récompensés du prix Nobel de physique en 1903 pour cette découverte.

Rappels sur les éléments

Rappelons que les atomes sont constitués d'électrons tournant autour d'un noyau fait de protons et de neutrons. En classe de seconde, nous avons vu que les éléments chimiques sont caractérisés par leur numéro atomique Z, c’est-à-dire le nombre de protons que contient leur noyau. Ainsi, deux atomes peuvent avoir le même numéro atomique Z (il s'agit donc du même élément) mais des nombres de masse A (c'est-à-dire le nombre de protons + neutrons) différents : on dit qu’ils sont isotopes. Exemples :

• $_{17}^{35}Cl$ et $_{17}^{37}Cl$
• $_{6}^{12}C$ et $_{6}^{14}C$

La vallée de stabilité

Beaucoup d'isotopes sont instables : leurs noyaux se décomposent spontanément en éjectant des particules et en émettant un rayonnement, on dit qu’ils sont radioactifs. La vallée de stabilité représente les nucléides (noyaux des atomes) connus sous forme d'un petit carré dans un graphique du nombre de neutron (N = A - Z) en fonction du nombre de protons (Z).

Carte des nucléides par type de désintégration. Seuls ceux en noir sont des nucléides stables.

Différentes formes de radioactivité naturelle

La radioactivité naturelle est un phénomène de désintégration spontanée des noyaux instables : un "gros" noyau se transforme en un autre "plus petit" en émettant une particule.

Rayonnement alpha

La radioactivité alpha ($\alpha$) est l'émission par un noyau radioactif d'un noyau d'hélium $_{2}^{4}He$ qu'on appelle particule $\alpha$, comme par exemple lors de la désintégration de l'uranium 238 en thorium 234 : $_{92}^{238}U\to _{90}^{234}Th+_{2}^{4}He$. Le rayonnement alpha peut être arrêté par une simple feuille de papier.

Rayonnement bêta

La radioactivité bêta ($\beta$) est l'émission par un noyau radioactif d'un électron $_{-1}^{0}e$ (radioactivité $\beta ^{-}$) ou d'un positron $_{1}^{0}e$ (radioactivité $\beta ^{+}$). Exemples :

• La désintégration du carbone 14 : $_{6}^{14}C\to _{7}^{14}N^{*}+_{-1}^{0}e$
• La désintégration du phosphore 30 : $_{15}^{30}P\to _{14}^{30}Si^{*}+_{1}^{0}e$

Le rayonnement $\beta$ peut être arrêté par une plaque d'aluminium de quelques millimètres d'épaisseur.

Rayonnement gamma

Au cours d'une désintégration $\alpha$, $\beta ^{+}$ ou $\beta ^{-}$, le noyau formé n’est pas tout à fait stable, c’est pourquoi nous l'avons noté avec une étoile : il a un surplus d'énergie qu’il libère en émettant un rayonnement électromagnétique, par exemple : $_{14}^{30}Si^{*}\to _{14}^{30}Si+\gamma$. Le rayonnement $\gamma$ est beaucoup plus pénétrant que les autres : pour le stopper il faut une épaisse plaque de plomb ou un mur de béton de quatre mètres d'épaisseur. C'est pour cela que les radiologues, exposés régulièrement à des sources radioactives, doivent se placer derrière une plaque de plomb lorsqu’ils font une radio : notre corps accepte un certain quota de rayonnement radioactif, faire une seule radiographie n’est pas dangereux mais en faire trop souvent pourrait favoriser le développement de cancers.

Lois de conservation

Contrairement aux transformations chimiques où il y a conservation des éléments, on peut passer d'un élément à un autre en physique nucléaire. dans le langage courant, on aimerait dire que "en physique nucléaire, on peut changer le plomb en or !". Mais les transformations nucléaires respectent tout de même certaines conditions. En observant les trois exemples de désintégrations précédents, on peut en tirer les lois de conservation :

• Lors d'une transformation nucléaire, il y a conservation de la charge électrique. C'est-à-dire que la somme des nombres Z (en bas) est égale de part et d’autre de l'équation. Par exemple, pour la désintégration du carbone 14, on remarque qu'effectivement 6 = 7 - 1
• Lors d'une transformation nucléaire, il y a conservation du nombre total de nucléons. C'est-à-dire que la somme des nombres A (en haut) est égale de part et d’autre de l'équation. Par exemple, pour la désintégration de l'uranium 238, on remarque qu'effectivement 238 = 234 + 4

Activité et période radioactive

Simulation du nombre de noyaux radioactifs d'un échantillon au cours du temps

L'activité A d'un échantillon radioactif est le nombre de noyaux se désintégrant dans cet échantillon en une seconde. Elle s'exprime en Becquerels (Bq) : 1 Bq correspond à une désintégration par seconde. On utilise aussi le Bq/kg pour se ramener à un kilogramme d'échantillon radioactif (activité massique). L'activité d'un échantillon est proportionnelle au nombre de noyaux radioactifs présents dans celui-ci donc elle diminue naturellement au cours du temps. Le graphique du nombre d'atomes radioactifs en fonction du temps est parfois appelé courbe de décroissance radioactive. Sur la simulation présentée ici, on remarque que toutes les cinq secondes, le nombre de noyaux radioactifs diminue de moitié : cette grandeur est appelée la période ou temps de demi-vie.
Définition : la période radioactive $T$, ou temps de demi-vie $t_{1/2}$, est le temps nécessaire pour que la moitié des noyaux radioactifs d'un échantillon se désintègrent. Quelques exemples :

Noyau radioactif	Période radioactive
Uranium 238	4,5 milliards d'années
Iode 131	8 jours
Néon 19	18 secondes
Polonium 214	164 microsecondes

Origine de l'énergie nucléaire

Défaut de masse des noyaux

Contrairement à ce que nous avons appris en classe de seconde, la masse du noyau d'un atome n’est pas tout-à-fait égale à la somme des masses des nucléons qui le constituent : c’est ce qu'on appelle le défaut de masse des noyaux, qui s'écrit : $\Delta m=\left[Z.m_{P}+(A-Z).m_{N}\right]-m$ où $m_{P}$ est la masse du proton, $m_{N}$ celle du neutron, m la masse "réelle" du noyau, A son nombre de masse et Z son numéro atomique.
Comme les masses mises en jeu à l'échelle nucléaire sont extrêmement petites, les spécialistes de la physique nucléaire n'utilisent pas le kg mais l'unité de masse atomique (u) : $1u=1,66.10^{-27}kg$

Perte de masse et énergie nucléaire

Étudions la désintégration alpha de l'uranium 238. Sachant que la masse du noyau d'uranium 238 est $m_{U}=238,051u$, que celle du thorium 234 est $m_{Th}=234,044u$ et que celle de l'hélium est $m_{He}=4,003u$, on remarque qu’il y a perte de masse au cours de la réaction nucléaire : $\Delta m=234,044+4,003-238,051=-0,004u$. Qu’est devenue cette masse ?
C'est dans la théorie de la relativité restreinte d'Einstein qu'on peut y trouver la réponse : celle-ci a été transformée en énergie, ce qu'on appelle aujourd’hui la relation d'Einstein ou équivalence masse-énergie : $E=m.c^{2}$ avec E en joules (J), la masse en kg et c la vitesse de la lumière dans le vide en m/s. Dans l'exemple précédent, l'énergie libérée par la réaction est $E=0,004\times 1,66.10^{-27}\times (3.10^{8})^{2}\approx 6.10^{-15}J$.
Les énergies mises en jeu à l'échelle nucléaire sont extrêmement faibles, ainsi on préfère utiliser l'électron-volt (eV) comme unité d'énergie : $1eV=1,6.10^{-19}J$
Remarque : si dans la relation d'Einstein on laisse la masse en u et c en m/s, on obtient E en MeV

Principe de la fusion nucléaire

La fusion nucléaire est l'assemblage de deux "petits" noyaux pour en former un plus gros qui éjectera un neutron ou un proton. Pour qu’ils puissent fusionner, il faut faire une collision à très grande vitesse et donc leur donner une grande énergie. L'agitation des molécules étant liée à la température, il suffit de chauffer très fortement les noyaux de départ : quelque cent millions de degrés sont nécessaires ! On parle alors de fusion thermonucléaire. C'est ce type de réaction nucléaire qui intervient dans le mécanisme d'une étoile, par exemple la fusion de l'hydrogène en hélium : $4_{1}^{1}H\to _{2}^{4}He+2_{1}^{0}e$. Sur Terre, la fusion nucléaire pour produire de l'électricité n'est encore qu'un rêve : le projet ITER installé à Cadarache dans le sud de la France n'est encore qu'un réacteur test.

Principe de la fission nucléaire

La fission nucléaire est la cassure d'un noyau lourd auquel on a ajouté un neutron en deux noyaux plus légers. Ce noyau va également libérer deux ou trois neutrons qui peuvent à leur tour provoquer d'autres fissions : c’est une réaction en chaine. C'est ce type de réaction nucléaire qui est utilisé dans la bombe A ou dans les centrales nucléaires actuelles. Exemple des trois fissions possibles de l'uranium 235 :

• $_{0}^{1}n+_{92}^{235}U\to _{35}^{85}B+_{57}^{148}La+3_{0}^{1}n+\gamma$
• $_{0}^{1}n+_{92}^{235}U\to _{36}^{91}Kr+_{56}^{142}Ba+3_{0}^{1}n+\gamma$
• $_{0}^{1}n+_{92}^{235}U\to _{38}^{94}Sr+_{54}^{140}Xe+2_{0}^{1}n+\gamma$

Principe de fonctionnement d'une centrale nucléaire

Réacteur à eau pressurisée

Le cœur d'un réacteur est constitué de combustible nucléaire (noyaux fissibles) entouré d'une gaine. Un fluide caloporteur (liquide ou gaz qui se réchauffe au contact du cœur) va chauffer un autre circuit d'eau. L'eau vaporisée va faire tourner une turbine qui enclenche un alternateur produisant l'électricité (effet dynamo). des barres de contrôle, faites dans un matériau absorbeur de neutrons, peuvent pénétrer plus ou moins le cœur pour ralentir ou même stopper les réactions de fission.