Qu’est-ce que l’énergie nucléaire ?

Pour comprendre l’énergie nucléaire sans faire de physique approfondie, il faut rappeler que la matière est formée d’atomes. Chaque atome comporte des électrons et un noyau. Les électrons sont porteurs d’une charge électrique négative, et leur masse est très faible. Le noyau est formé de protons, à charge électrique positive et forte masse, et de neutrons, sans charge électrique et de même masse que les protons. Dans un atome, les nombres d’électrons et de protons sont égaux.

Par contre, le nombre de neutrons peut varier, donnant ce qu’on appelle des isotopes, dont la masse diffère. La plupart des noyaux sont stables au cours du temps, mais certains, tel l’uranium, peuvent se désintégrer en libérant de l’énergie: c’est la radioactivité. L’uranium comporte trois isotopes naturels, appelés 238U, mu, 234U, où le nombre en exposant représente la masse du noyau. Ces isotopes se désintègrent plus ou moins vite. Leur quantité diminue d’un facteur deux dans un temps, appelé période radioactive, respectivement de 4,5 Ga, 700 Ma et 240 ka. L’uranium naturel est presque uniquement l’isotope 238U, le plus stable ne représente que 0,7 % et 234U des traces infimes.

La particularité de l’uranium

L’uranium 235U présente la particularité d’être « fissile », c’est-à-dire de pouvoir subir une fission, qui le scinde en d’autres noyaux. Cette fission a lieu suite à l’impact de neutrons, qui sont légèrement mobiles dans la matière. Avec un noyau 235U et un neutron, on obtient deux ou trois neutrons, deux noyaux plus petits (baryum et krypton, par exemple) et de la chaleur . Les deux ou trois neutrons pourront à leur tour attaquer des noyaux de 235U, donnant 4 ou 9 neutrons, etc. On voit s’amorcer ce qu’on appelle une réaction en chaîne, qui va de plus en plus vite, avec forte production de chaleur. Cela se passe ainsi si mu est très concentré, comme dans une bombe atomique, où en quelques secondes se produit un dégagement de chaleur gigantesque. Dans l’uranium naturel, mu est peu concentré. Une proportion importante des neutrons est absorbée par 238U pour former du plutonium 239Pu. La réaction en chaîne est donc impossible à entretenir.

Dans les piles atomiques, on met de l’uranium enrichi en 235U jusqu’à environ 4 %. Dans ces conditions, il y a assez de neutrons pour maintenir une réaction en chaîne, mais celle-ci peut être contrôlée. L’énergie de fission dégage de la chaleur, utilisée pour produire de l’électricité. L’énergie dégagée lors des réactions de fission peut se comprendre suivant la fameuse loi d’Einstein d’équivalence masse-énergie E = mc2. Dans la fission, la masse des produits diminue légèrement.

Elle est donc convertie partiellement en énergie. Avec très peu de masse, on obtient d’énormes quantités d’énergie, sous forme de chaleur. La suite des opérations relève de la haute technologie. Dans les centrales nucléaires, la chaleur est récupérée pour chauffer de l’eau et produire de la vapeur à haute température. Comme dans toutes les centrales thermiques, celle-ci actionne des turboalternateurs pour produire de l’électricité.

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