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DE LA RECHERCHE À L’INDUSTRIE > Du noyau atomique à l’énergie LA LIBÉRATION DE

DE LA RECHERCHE À L’INDUSTRIE > Du noyau atomique à l’énergie LA LIBÉRATION DE L’ÉNERGIE NUCLÉAIRE LA FUSION THERMONUCLÉAIRE LA FISSION NUCLÉAIRE ET LA RÉACTION EN CHAÎNE LA COLLECTION 1 > L’atome 2 > La radioactivité 3 > L’homme et les rayonnements 4 > L’énergie 5 > L’énergie nucléaire: fusion et fission 6 > Le fonctionnement d’un réacteur nucléaire 7 > Le cycle du combustible nucléaire 8 > La microélectronique © Commissariat à l’Énergie Atomique, 2002 Direction de la communication Bâtiment Siège - 91191 Gif-sur-Yvette cedex www.cea.fr ISSN 1637-5408. 5 >L ’énergie nucléaire: fusion et fission Réacteur de recherche Osiris. La centrale nucléaire de Civaux (Vienne). introduction L a matière est constituée d’atomes. En 1912, le physicien anglais Ernest Ruther- ford (qui avait montré que l’atome avait un noyau), et le physicien danois Niels Bohr met- tent au point un modèle dans lequel l’atome est constitué d’un noyau de charge positive entouré d’un cortège d’électrons. En 1913, Rutherford découvre le proton et en 1932, le physicien anglais Chadwick le neutron. En 1938, Hahn et Strassmann découvrent la fission spontanée et le physicien français Frédéric Joliot-Curie, assisté de Lew Kowarski et Hans Von Halban, montre, en 1939, que ce phénomène de cassure des noyaux d’ura- nium s’accompagne d’un intense dégagement de chaleur. La découverte de la réaction en chaîne permettra l’exploitation de l’énergie nucléaire. “Ce sont les protagonistes de la Seconde Guerre mondiale qui, en encourageant la recherche à des fins militaires, ont contribué au développement de l’énergie nucléaire.” Pendant la guerre de 1939-1945, les études sur la fission se sont poursuivies aux États- Unis, avec la participation de physiciens émi- grés. Le projet Manhattan est lancé, avec pour objectif de doter ce pays d’une arme nucléaire (qui a été utilisée à Hiroshima et à Nagasaki en 1945). Dès la fin de la guerre, les recherches sur l’énergie dégagée par la réaction de fission nucléaire sont poursuivies dans le but d’une utilisation civile. En France, en 1945, le CEA (Commissariat à l’énergie atomique) est créé sous l’impulsion du général de Gaulle. Cet orga- nisme public de recherche est chargé de donner à la France la maîtrise de l’atome dans les sec- teurs de la recherche, de la santé, de l’énergie, de l’industrie, de la sûreté et de la défense. > INTRODUCTION 3 L ’énergienucléaire: fusionetfission Parmi les pionniers, on retrouve, de gauche à droite, Bertrand Goldschmidt, Lew Kowarski et Frédéric Joliot-Curie. > INTRODUCTION Du noyau atomique à l’énergie 5 > L ’énergie nucléaire: fusion et fission > SOMMAIRE 3 2 Du noyau atomique à l’énergie 5 > L ’énergie nucléaire: fusion et fission Conception et réalisation: Spécifique - Photo de couverture: © CEA - Illustrations: YUVANOE - Impression: Imprimerie de Montligeon - 09/2002 LA LIBÉRATION DE L ’ÉNERGIE NUCLÉAIRE 4 La cohésion des protons et des neutrons au sein du noyau atomique 5 L’équivalence entre l’énergie et la masse 6 Les réactions nucléaires libératrices d’énergie 7 LA FUSION THERMONUCLÉAIRE 8 La fusion thermonucléaire dans les étoiles 9 La fusion sur Terre 11 LA FISSION NUCLÉAIRE ET LA RÉACTION EN CHAÎNE 12 La réaction en chaîne 13 La masse critique 14 Énergie nucléaire et environnement 15 © CEA/A. Gonin © Médiathèque EDF © CEA > LA LIBÉRATION DE L’ÉNERGIE NUCLÉAIRE 5 LA LIAISON DES PROTONS ET DES NEUTRONS INDUITE PAR DES FORCES TRÈS INTENSES AU SEIN DU NOYAU EST LA SOURCE DE L’ÉNERGIE NUCLÉAIRE. LA COHÉSION DES PROTONS ET DES NEUTRONS AU SEIN DU NOYAU ATOMIQUE Les constituants de la matière sont des atomes comprenant un noyau et des électrons qui tour- nent autour (voir livret L’atome). Pénétrons maintenant au cœur de l’atome, dans le noyau. Celui-ci est un assemblage de protons et de neutrons concentrés dans un très petit volume et soumis à deux forces différentes: la force nucléaire forte et la force électrique. Le noyau atomique est très petit (environ 10-12 mm) comparé à l’atome (10-7 mm). l’énergie nucléaire La libération de l’énergie nucléaire La force électrique n’agit que sur des parti- cules chargées, attirant celles qui sont de signe opposé et repoussant celles de même signe. Cette force agissant à “longue” distance permet aux électrons, porteurs d’une charge négative, d’être retenus autour du noyau chargé positivement. Les neutrons, en raison de leur absence de charge, ne sont pas soumis à la force élec- trique. Par contre, les protons, tous de même signe, ont tendance à se repousser. Pourtant, dans le noyau, les protons et les neutrons res- tent bien associés. Cette constatation permet de dire que la force nucléaire, qui n’agit qu’à très “courte” distance sur les protons et les neutrons, est plus intense pour ces courtes distances que la force électrique. Cependant, la force nucléaire ne peut pas compenser à l’infini la force électrique pour la cohésion des protons et des neutrons dans les noyaux. Lorsqu’il y a beaucoup de protons, les noyaux des atomes sont moins liés et deviennent instables. Du noyau atomique à l’énergie 5 > L ’énergie nucléaire: fusion et fission 4 Du noyau atomique à l’énergie 5 > L ’énergie nucléaire: fusion et fission © CEA/A. Gonin “Force électrique et force nucléaire se compensent pour assurer la cohésion du noyau.” Nuage électronique Longue distance Courte distance Noyau atomique Représentation du nuage de l’atome de lithium > LA LIBÉRATION DE L’ÉNERGIE NUCLÉAIRE 7 6 > LA LIBÉRATION DE L ’ÉNERGIE NUCLÉAIRE Cette dernière est le carré de la vitesse de la lumière dans le vide (c = 300000 km/s). Dans le cas de notre disparition de masse, l’énergie qui apparaît est donc égale à la perte de masse multipliée par la constante c2. Cette quantité d’énergie sert de ciment pour tenir ensemble les constituants du noyau: on l’appelle pour cette raison l’énergie de liaison. Elle correspond à l’énergie qu’il faut fournir au noyau pour qu’il soit dissocié en nucléons isolés. L’énergie de liaison par nucléon (équivalente à une perte de masse par nucléon) n’est pas iden- tique pour tous les noyaux. Faible pour les noyaux légers, elle augmente jusqu’aux noyaux de masse moyenne, se trouvant aux alentours du fer 56, et décroît ensuite. Cette évolution de l’énergie de liaison indique que les atomes les plus liés sont les atomes de masse moyenne. Leur perte de masse est plus grande par nucléon. Donc, toutes les transformations de noyaux tendant à produire des noyaux de masse moyenne vont permettre de libérer de l’énergie nucléaire. Ces transformations sont appelées réactions nucléaires. “La célèbre formule d’Einstein, E = mc2, exprime l’équivalence entre la masse et l’énergie.” Du noyau atomique à l’énergie 5 > L ’énergie nucléaire: fusion et fission Du noyau atomique à l’énergie 5 > L ’énergie nucléaire: fusion et fission L ’ÉQUIVALENCE ENTRE L ’ÉNERGIE ET LA MASSE Par des techniques très précises, il est possible de mesurer la masse d’un noyau, celle d’un proton isolé ou d’un neutron isolé. La masse du noyau est inférieure à la somme des masses de chacun de ses nucléons. Qu’est devenue la masse man- quante?En fait, cette masse ne disparaît pas mais se transforme en énergie. La célèbre formule d’Einstein, E = mc2, nous permet de calculer celle-ci. En effet, cette formule associe à un corps de masse m, une énergie E qui est égale à sa masse multipliée par une constante c2. Attraction électrique Répulsion électrique Exemple de réaction de fission Exemple de réaction de fusion Deutérium Tritium Hélium ÉNERGIE Neutron libre LES RÉACTIONS NUCLÉAIRES LIBÉRATRICES D’ÉNERGIE Elles sont de deux types: • la fusion de noyaux très légers en un noyau de taille moyenne. Depuis une trentaine d’années, de nombreux laboratoires étudient la fusion de deux noyaux légers comme ceux du deutérium et du tritium qui sont deux isotopes lourds de l’hydrogène. Ce domaine est encore au stade de la recher- che et il n’existe pas encore d’applications industrielles de la fusion pour la production d’électricité. • la fission ou cassure d’un noyau très lourd en deux noyaux de taille moyenne. La réaction de fission est plus simple à réa- liser sur Terre que celle de fusion. Elle consiste à casser des noyaux lourds, comme ceux de l’uranium 235 ou du plutonium 239, sous l’effet de l’impact d’un neutron. L’énergie de fission libérée est utilisée dans les réacteurs nucléaires. Ceux-ci produisent actuellement le sixième de l’électricité consommée dans le monde, le tiers en Europe et les trois quarts en France. Le deutérium est très abondant (40 mg par litre d’eau de mer) et assez peu coûteux à isoler. Le tritium, corps radioactif, qui n’existe pas dans la nature, peut être obtenu en bombardant du lithium avec des neutrons. “L ’énergie nucléaire se libère de deux façons : ou le noyau fusionne avec un autre noyau ou il se casse en deux.” © Médiathèque EDF/C. Pauquet Cœur de réacteur où se produit la réaction de fission. Particules (protons ou neutrons) constituant le noyau d’un atome. Neutron. LA FUSION THERMONUCLÉAIRE DANS LES ÉTOILES La fusion est le mariage de noyaux légers qui donne naissance à des noyaux plus lourds comme l’hélium, par exemple. Elle s’accompagne d’une très forte libération d’énergie. uploads/Finance/ l-x27-energie-nucleaire.pdf