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Vers 450 avant J.-C., le philosophe grec Démocrite imagine que la matière est formée d’un assemblage de particules « insécables, impassibles et impérissables » : les atomes.

Chaque élément chimique serait composé d’atomes, eux-mêmes composés d’électrons gravitant autour d’un noyau. Un noyau est une sorte de sac rempli de deux sortes de billes : les protons et les neutrons.

Électrons, protons et neutrons sont tous trois des particules minuscules, la première véhiculant de l'électricité négative, la deuxième de l'électricité positive et la troisième ne portant aucune électricité. Chaque atome contient autant d'électrons que de protons de manière à assurer sa neutralité électrique. Chacun contient également un nombre sensiblement égal de neutrons et de protons. Il existe des atomes simples comme celui de l'hydrogène, dont le noyau est constitué d'un seul proton, et d'autres plus complexes. C'est le cas de l'uranium qui contient 92 protons et 143 ou 146 neutrons selon les cas. Un même élément peut en effet être représenté par des atomes dont le nombre de neutrons diffère. On appelle ces atomes des isotopes de l'élément.

Les noyaux d'atomes stables et instables

La plupart des noyaux d'atomes qui existent dans la nature sont en quelque sorte immortels. Ils existent depuis des milliards d'années et seront toujours là dans des milliards d'années. On dit qu'ils sont stables. D'autres noyaux dits instables se désintègrent au bout d'un certain temps d'existence.
Cette différence provient des forces en action au cœur de la matière. Les protons chargés positivement ont tendance à se repousser sous l'effet d'une force dite électrique. Seulement, neutrons et protons eux, s'attirent sous l'action d'une force très intense : la force nucléaire. Aussi longtemps que les deux forces en jeu se compensent, les noyaux atomiques sont stables mais, si le noyau présente un déséquilibre trop important entre le nombre de protons et le nombre de neutrons, la force électrique finit par l'emporter et le noyau par se désintégrer.

La radioactivité est présente dans la nature. Cela signifie que les noyaux instables se transforment spontanément en libérant des particules dont le flux est appelé rayonnement radioactif. La radioactivité est une réaction nucléaire spontanée. Il existe, dans la nature, une cinquantaine d'atomes capables de se modifier en émettant des rayonnements radioactifs. L'Homme a pu reproduire cette radioactivité.

L'unité de la radioactivité est le becquerel (Bq) du nom du physicien français. Un Bq correspond à la transformation d'un atome par seconde. Les rayons cosmiques (rayons qui arrivent sur Terre en provenance de l'univers), l'écorce terrestre, l'eau, l'air, les matériaux, le corps humain, les aliments… sont à l'origine de l'irradiation permanente que nous subissons. Le lait, par exemple, a une activité de 50 Bq par kilo. Cette activité est très faible et totalement naturelle. L'activité d'un enfant de 5 ans est de 500 Bq et celle d'un adulte de 70 kilos de 10.000 Bq.

Puisque les noyaux instables se désintègrent, le nombre d'atomes naturellement radioactifs diminue au fil du temps. La période radioactive (temps nécessaire à la désintégration de la moitié des noyaux radioactifs d'un élément) varie entre 0,00000001 seconde et plusieurs millions d'années. Ainsi, la radioactivité naturelle est utilisée comme outil de datation. En évaluant la quantité d'atomes radioactifs dans un échantillon, les scientifiques peuvent en effet estimer l'âge de fossiles, par exemple.

L’ionisation

Une particule ionisante est une particule qui arrache, sur son passage, des électrons aux atomes qu’elle rencontre. Certains électrons sont éjectés et captés par des atomes voisins créant des ions d’une durée de vie très courte. Les électrons reprennent rapidement leurs places, libérant l’énergie reçue pendant l’opération sous forme de chaleur. Durant leur existence, certains ions peuvent réagir avec la matière environnante et créer des nouvelles combinaisons chimiques.
Les ions créés par la pénétration dans les tissus vivants de rayonnements radioactifs sont principalement nocifs pour l'ADN et les enzymes, des structures indispensables à la vie. De nombreux pionniers de l'exploration de la radioactivité en ont fait l'expérience à leurs dépends (brûlures superficielles pour Becquerel, leucémie pour Marie Curie…). Cependant, les cellules les plus sensibles à ces rayonnements sont utilisables pour traiter et détruire des cellules cancéreuses, par la curiethérapie ou la radiothérapie.

L’énergie nucléaire

C’est Albert Einstein qui, par sa formule E = mc², a expliqué que toute modification de masse (m) s’accompagne d’une libération d’énergie. Lorsqu’un noyau atomique se transforme en deux noyaux plus petits, il y a modification de masse et donc libération d’énergie.

L'énergie nucléaire est l'énergie issue du noyau des atomes, aussi bien lors de rayonnements radioactifs que lors de réactions de fission ou de fusion d'atomes, dans les centrales nucléaires ou les étoiles.

La fission nucléaire

La fission nucléaire est l'éclatement d'un noyau instable en deux noyaux plus légers et quelques particules élémentaires. Cet éclatement s'accompagne d'un dégagement de chaleur, c'est à dire d'énergie.
La fission spontanée existe mais elle est très rare. Le seul élément naturellement fissile est l'uranium 235. Sous l'impact d'un neutron, le noyau se trouve déséquilibré et se transforme en deux noyaux plus légers mais toujours instables appelés produits de fission. Au moment du choc avec le neutron, ces produits de fission sont éjectés à grande vitesse. Les noyaux issus de fission sont dans la plupart des cas radioactifs mais leur période est assez courte.

La fission dégage une énergie gigantesque. Un gramme d'uranium 235 libère ainsi autant d'énergie que la combustion de plusieurs tonnes de charbon. Les neutrons libérés par la fission ont une très grande énergie. Si on parvient à les ralentir convenablement, ils peuvent induire de nouvelles fissions et la réaction continue et s'accélère. Dans les réacteurs nucléaires, la réaction s'auto-entretient. Mais, si on laisse augmenter le nombre de neutrons présents, la réaction peut devenir explosive, c'est le cas de la bombe atomique (bombe A).

La fusion nucléaire

Il arrive également que deux ou plusieurs noyaux atomiques légers s'unissent pour former un noyau lourd. On dit alors qu'il y a fusion nucléaire.

La fusion nucléaire est plus difficile à réaliser que la fission car il faut rapprocher des atomes si près l'un de l'autre qu'ils vont se coller. Pour cela, il est nécessaire de porter la matière à une très haute température (environ 100 millions de degrés), sous une très forte pression. L'énergie libérée par ce phénomène est dix fois supérieure à celle libérée lors de la fission. D'autre part, la fusion nucléaire ne produit pas de déchets radioactifs puisque les produits de fusion sont stables. L'énergie des étoiles provient de cycles de réactions de fusion nucléaire.

L’histoire du nucléaire

La radioactivité est découverte par hasard en 1896 par un physicien français, Henri Becquerel. C’est Marie Curie qui donnera ce nom à ce phénomène de rayonnement interne à l’uranium. Ensuite, en 1934, la fille de Marie Curie découvre la radioactivité artificielle en bombardant une feuille d’aluminium avec des particules, créant ainsi de nouveaux rayons radioactifs. La fission nucléaire, elle, est découverte par deux chimistes allemands en 1938. Ils montrent qu’un neutron peut casser un noyau d’uranium en deux noyaux plus petits. Cette réaction engendre une grande quantité d’énergie.
Lors de la seconde guerre mondiale, on évoque la possibilité d’exploiter la puissance produite par cette fission nucléaire et, en août 1945, deux bombes atomiques explosent à Hiroshima et Nagasaki…

Les premières centrales nucléaires apparaissent aux Etats-Unis en 1951. A partir des années 60, l’énergie nucléaire aborde une ère d’industrialisation rapide, encore augmentée par la hausse brutale du prix du pétrole dès les années 70. Ce qui pousse les nations à créer de l’électricité à partir d’autres ressources.

A titre d’exemple, en 2010, 78 % de l’électricité produite en France provenait des centrales nucléaires.

Depuis les catastrophes de Tchernobyl en 1986 et celle - plus récente - de Fukushima, beaucoup de personnes souhaitent passer à une autre forme de création d’énergie.

Le défi lancé aux chercheurs pour les années à venir est de parvenir à maîtriser la fusion nucléaire pour produire de l'énergie propre et quasi inépuisable à partir d'hydrogène, à la façon des étoiles. Le projet hante les esprits de la communauté scientifique depuis plus de quarante ans mais, le coût d'un réacteur à fusion nucléaire a longtemps refroidi les enthousiasmes. Les chercheurs devraient pouvoir conclure, d'ici 2025, sur la capacité de la fusion de constituer une option énergétique du futur.

Le fonctionnement d’une centrale
Comment produit-on de l'électricité ?

La production d'électricité dans la centrale nucléaire est basée sur des réactions de fission qui s'auto-entretiennent et produisent un dégagement permanent d'énergie : les neutrons libérés lors de la fission doivent pouvoir aller frapper à leur tour d'autres noyaux fissiles, suivant le processus de la réaction en chaîne.

Deux procédés sont utilisés pour augmenter les chances de rencontres entre noyaux fissiles et neutrons :

• l'enrichissement de l'uranium
• le ralentissement des neutrons, par une substance qui a la propriété de réduire leur vitesse, sans les absorber : le modérateur.

Le ralentissement des neutrons par un modérateur

Le rôle du modérateur est de ralentir les neutrons qui seraient sans cela trop énergétiques pour provoquer efficacement de nouvelles fissions. Les neutrons issus de fissions, du fait de leur grande énergie, se déplacent à grande vitesse (20.000 km/s). Ils passent alors trop vite à proximité des atomes d'uranium et les réactions de fission sont difficiles à obtenir. D'où la nécessité de les ralentir considérablement, jusqu'à une vitesse de l'ordre de 2 km/s.

Les neutrons sont freinés lorsqu'ils traversent une matière qui est composée d'atomes dont les noyaux ne les absorbent pas. En effet, comme des boules se déplaçant sur une table de billard où se trouvent d'autres boules, les neutrons perdent de la vitesse en rebondissant sur les noyaux. Ce ralentissement se produit rapidement lorsque le modérateur est de l’eau lourde, constituée de molécules d'eau dont l'atome d'hydrogène est remplacé par un atome de deutérium, plus lourd que l'hydrogène : elle ralentit bien les neutrons et les absorbe peu.

La fission de l'uranium dans le cœur du réacteur nucléaire fournit de l'énergie sous forme de chaleur, générant de la vapeur d'eau. Celle-ci entraîne une turbine et convertit ainsi l'énergie thermique en énergie mécanique. La turbine entraîne, à son tour, un alternateur, qui convertit l'énergie mécanique en électricité.

Toutes ces opérations sont permises par les trois circuits d'eau de la centrale nucléaire : primaire, secondaire et de refroidissement. Ils opèrent des échanges thermiques entre eux tout en restant indépendants, ce qui évite toute dispersion de la substance radioactive à l'extérieur de la centrale.

Le cœur du réacteur est constitué d'une cuve en acier contenant le combustible et l'eau du circuit primaire. Des barres de contrôles, introduites par le couvercle de la cuve dans le cœur du réacteur, permettent de régler la puissance de la réaction en chaîne. Elles ont en effet la propriété de « manger » les neutrons. L'immersion totale des barres dans le cœur du réacteur permet ainsi de stopper en deux secondes la réaction en chaîne.

L'ensemble est enfermé dans une enceinte en béton étanche qui assure le confinement.

L’uranium : combustible nucléaire
Un combustible est, par définition, une matière qui fournit de la chaleur en brûlant. Les combustibles les plus connus sont le bois, le charbon, ou le pétrole.

Il existe plusieurs atomes fissiles mais, comme combustible dans les centrales nucléaires, on utilise le plus souvent l’uranium 235 qu’on trouve à l’état naturel. Cet uranium est appelé combustible car il dégage de la chaleur, non pas par réelle combustion mais par fission.

Les déchets nucléaires

Toute activité humaine produit des résidus. L'utilisation des propriétés radioactives ne fait pas exception à cette règle. On appelle déchets radioactifs (ou déchets nucléaires) toute matière dont on ne prévoit pas d'utilisation ultérieure et dont le niveau d'activité ne permet pas un rejet direct dans l'environnement.

Dans les centrales nucléaires, lors de l'arrêt de tranche, un tiers du combustible usé est retiré et renouvelé. Comme il est très radioactif, l'opération de transfert s'effectue sous eau : directement de la cuve à une piscine de refroidissement, près du réacteur. L'eau permet d'une part de piéger les rayonnements et d'autre part de refroidir les pastilles. Elles y restent au moins un an. Leur activité diminue naturellement : elle est douze fois plus faible après un mois de séjour et trente fois plus faible cinq mois plus tard.

Lorsque le combustible est refroidi et qu'il a perdu une bonne partie de sa radioactivité, il est inséré dans un conteneur de béton ou d'acier. Cette opération s'effectue également sous l'eau. Les conteneurs sont ensuite acheminés vers une usine de retraitement.

Il faut savoir que 90 % des déchets nucléaires ont une vie courte et une activité faible à moyenne (environ 100 Bq par gramme de matière). Les 10 % restant sont partagés entre des déchets à vie longue et grande activité et des déchets à très faible activité. L'ensemble des déchets radioactifs produits chaque année représente des quantités relativement faibles en volume : 1 kilo par habitant en France, contre 2.500 kilos pour les déchets industriels et domestiques.

Et, pour terminer, le panache blanc qu’on voit sortir des centrales nucléaires n’est pas de la fumée résultant de la combustion mais est constitué par l’évaporation de l’eau utilisée pour refroidir la centrale.