Introduction: D'où provient l'énergie nucléaire?
La production d'énergie d'origine nucléaire, réalisée dans des centrales, est dûe à la chaleur dégagée par les matériaux nucléaires.
Pour obtenir cette chaleur, et donc cette énergie, on a deux solutions:
- la fission nucléaire, où l'on "casse" un atome
- la fusion nucléaire, où l'on "assemble" deux atomes pour en former un plus gros
1 - La fission nucléaire
a) Principe de la fission nucléaire
Ce procédé consiste à envoyer un neutron dans le noyau d'un atome lourd (c'est-à-dire un noyau qui contient beaucoup de nucléons), afin de le faire se diviser en noyaux plus légers. Celà produit un dégagement de neutrons et d'énergie très important.
L'exemple de la fission de l'uranium 235
Pour fissionner un noyau d'uranium 235, on envoie un neutron, qui conduit l'uranium 235 à devenir de l'uranium 236. L'uranium 236 étant hautement instable, il se sépare en deux éléments: du Baryum 141 et du Krypton 92. Trois neutrons sont également libérés par cette réaction et vont conduire à une réaction en chaîne.
L'énergie liberée par la fission d'un noyau d'uranium 235 est égale, comme nous l'indique la célèbre
équation d'Einstein,
au différentiel de masse que multiplie la vitesse de la lumière au carré:
E = Dm * c²
avec Dm = m(noyau) - (Z(mp) + (A-Z)*(mn))
mp -> Masse d'un proton
mn -> Masse d'un neutron
A -> Nombre de masse: Nombre de nucléons présents dans le noyau
Z -> Numéro atomique: Nombre de protons présents dans le noyau
b) La fission nucléaire dans le cadre de la production massive d'énergie
Aujourd'hui, lorsque qu'on parle de centrale nucléaire, c'est pour désigner une centrale à fission. La fission des noyaux nucléaires dégage de la chaleur et on transforme 30 à 40% de celle-ci en éléctricité. En 2006, on dénombrait plus de 440 réacteurs utilisant la fission nucléaire, produisant 17% de l'éléctricité mondiale.
2 - La fusion nucléaire
a) Principe de la fusion nucléaire
La fusion nucléaire est le procédé inverse de la fission: au lieu d'éclater un noyau lourd, on assemble plusieurs noyaux légers pour former un nouvel élément chimique. C'est par ce procédé que se crée l'énergie du Soleil, et c'est aussi celui utilisé par les bombes H (H pour hydrogène). La fusion nucléaire permet, à masse de combustible égale, de produire de trois à quatre fois plus d'énergie que la fission.
Explication à partir de l'exemple de la fusion du deutérium et du tritium
La fusion nucléaire consiste à "assembler" deux noyaux pour n'en former qu'un. Pour faire cela, il faut avoir suffisament d'énergie pour passer outre ce qu'on appelle la barrière coulombienne. En effet, les deux noyaux étant de charges éléctriques positives, ils se repoussent; il faut donc une énergie assez importante pour vaincre cette force de répulsion.
Ici, la fusion du deutérium et du tritium (tout deux isotopes de l'hydrogène) crée de l'hélium et émet un neutron.
b) Les réactions de fusion appicables sur Terre
Pour qu'une réaction de fusion puisse s'effectuer sur Terre, elle doit répondre deux critères principaux:
- être exothermique, c'est-à-dire que l'énergie qu'elle produit s'échappe sous forme de chaleur
- avoir comme réactifs des noyaux contenant un petit nombre de protons: plus il y a de protons dans le noyau, plus l'énergie nécessaire pour fusionner ces deux noyaux est importante
c) La fusion nucléaire comme futur moyen de produire une grande quantité d'énergie?
Actuellement, la fusion nucléaire n'est pas utilisée en quantité suffisante pour dire qu'elle permet de produire, comme la fission, une grande quantité d'énergie pour un coût faible. Cependant, celà pourrait changer dans les décennies qui viennent, notamment grâce au projet de réacteur à fusion ITER.
Le premier réacteur de type ITER (pour International Thermonuclear Experimental Reactor) est en construction à Cadarache (France). Il devrait être terminé en 2018.
La construction de ce prototype permettra de déterminer si la fusion nucléaire est un moyen pertinent de produire de l'éléctricité en quantité industrielle.