• L’ÉNERGIE NUCLÉAIRE •
EXAMEN
DES
DEUX VARIANTES
«FISSION» & «FUSION»
Daniel BONNERUE – Maistrance machine 1954-55
• Examinons ce qu’est l’Énergie Nucléaire •
En 1945, à la fin de la seconde guerre mondiale, après que les États-Unis eurent bombardé le deux villes japonaises d’Hiroshima et de Nagasaki avec des bombe atomiques, le monde perçut la puissance de cette énergie jusque-là ignorée par la majorité des habitants de la planète.
En France, le général De GAULLE président du gouvernement provisoire de la République Française, conscient de permettre au pays de maitriser rapidement cette nouvelle énergie dans laquelle notre nation était sans doute une des plus avancée au monde avec les prix Nobel de physique d’Irène et Frédéric JOLIOT-CURIE en 1935 pour la découverte de la fission de l’atome, créa en octobre 1945 le Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA) afin d’être en mesure de développer un moyen de dissuasion apte à protéger notre pays de toute agression extérieure. C’est Frédéric JOLIOT-CURIE qui en fut le premier Haut Commissaire (responsable scientifique) et Raoul DAUTRY le premier Administrateur Général.
La première réalisation du CEA fut une pile atomique (ancien nom des réacteurs nucléaires) baptisée ZOÉ qui divergea en décembre 1948 dans le «fort de Châtillon» qui devint par la suite le «CEN de Fontenay-aux-Roses». ZOÉ fonctionnait avec 1950 Kg d’oxyde d’Uranium plongés dans 5 tonnes d’eau lourde comme modérateur, l’ensemble contenu dans un réservoir d’Aluminium entouré par un mur de Graphite de 90 cm d’épaisseur, le tout protégé par du béton de 1,50 m d’épaisseur pour absorber les rayonnements ionisants. Développé tout d’abord aux États-Unis, c’est le physicien Lew KOVARSKY qui en importa le concept en France. ZOÉ fut l’initiatrice de la filière nucléaire française Uranium-Graphite-Gaz (UNGG) abandonnée par la suite (premiers réacteurs A1 et A2 de la centrale de Saint-Laurent-des-eaux aujourd’hui en phase de démantèlement).
Après la création du «CEN de Saclay» en 1951, le successeur de ZOÉ fut EL2 en 1952, puis entre 1956 et 2007 ce n’est pas moins de huit réacteurs de recherche qui y furent construits et utilisés. En 1964 ce sont les premiers réacteurs de recherche à eau pressurisée, (REP de 70 MW) Osiris et sa maquette Isis, qui sont mis en service, suivis par Orphée en 1976 qui est un réacteur de recherche à Haut Flux (RHF).
Etat-Major scientifique du CEA en 1948 avec l’équipe de construction de ZOÉ
L’appellation «énergie atomique» a évolué depuis en «énergie nucléaire», car en fait tout se passe au niveau des noyaux des atomes. La matière terrestre qui nous entoure est composée à partir de 92 éléments, dit naturels ou primordiaux, qui vont du plus léger l’Hydrogène (numéro atomique 1), au plus lourd, l’Uranium (numéro atomique 92). Au-delà, il s’agit d’éléments artificiels créés lors de réactions nucléaires. Les atomes de tous les éléments sont formés d’un noyau composé uniquement de protons, entouré d’un «nuage» composé du même nombre d’électrons qu’il y a de protons dans le noyau. Ainsi, le noyau de l’atome d’Hydrogène ne comporte qu’un seul proton, et le nuage qui l’entoure ne comprend qu’un seul électron. Pour l’Uranium, le noyau de l’atome comporte 92 protons et le nuage qui l’entoure est composé de 92 électrons répartis sur 7 couches (niveaux d’énergie) superposées. Les protons portant une charge électrique positive et les électrons une charge négative, les atomes sont tous électriquement neutres. A partir du Neptunium (93Np) jusqu’au Ununoctium ou Oganesson (118Uuo ou 118Og) il s’agit d’éléments artificiels.
Tous les éléments possèdent des isotopes (sosies), de même numéro atomique mais plus lourds, car leurs noyaux comportent en supplément des neutrons, qui sont électriquement neutres mais qui ont une masse, ce qui alourdi leur atome (exemple pour l’Hydrogène (1H) : le Deutérium (D ou 2H) 1 proton + 1 neutron et le Tritium (T ou 3H) 1 proton + 2 neutrons. Le Deutérium entre dans la composition de l’eau lourde (D2O) et le Tritium dans celle de l’eau super lourde ou eau tritiée (T2O) qui est fortement radioactive. Dans le cas des barres de combustible mises en œuvre dans les réacteurs nucléaires on utilise les isotopes 235U et 238U de l’Uranium, dont les noyaux sont alourdis respectivement par 143 neutrons et 146 neutrons, pour enrichir le 92U et le rendre plus fissile.
La fabrication du combustible est destinée à donner aux matières nucléaires la forme physico-chimique adéquate pour une irradiation en réacteur. Les centrales électrogènes utilisent pour la plupart un combustible d'oxyde d'uranium UOX (Uranium OXyde). L’Hexaflorure d’Uranium (UF6) enrichi est converti en poudre d'oxyde d'uranium dans un premier temps. L'oxyde d'uranium est ensuite comprimé sous forme de pastilles (de 7 à 8 mm de diamètre pour les REP). Ces pastilles sont elles-mêmes empilées dans un tube : la gaine. Selon le type de réacteur, le gainage est réalisé en alliage de Zirconium, le Zircaloy, qui n'absorbe pas les neutrons thermiques et permet donc de ne pas réduire le bilan neutronique du réacteur en évitant les captures stériles.
Le tableau périodique des éléments, également appelé tableau ou table de Mendeleïev (*), classification périodique des éléments (CPE) ou simplement tableau périodique, représente tous les éléments chimiques, représente tous les éléments chimiques, ordonnés par numéro atomique, représente tous les éléments chimiques, ordonnés par numéro atomique croissant et organisés en fonction de leur configuration électronique, laquelle sous-tend leurs propriétés chimiques. (*) – Dimitri MANDELEÏEV savant russe du XIXème siècle
Protons et Neutrons sont des particules appelés Nucléons car entrant dans la composition des noyaux des atome. Elles sont composites, car elles ont une sous-structure composée de particules élémentaires appelés Quarks. Dans le classement des particules ce sont des Hadrons de la famille des Baryons qui avec celle des Mésons sont celles dont la sous-structure est composée de Quarks up et down et d’antiquarks up et dawn, particules qui ne sont jamais observées individuellement car elles sont liées par des Gluons, particules élémentaires de la famille des Bosons, sans masse et sans charge, vecteurs de l’interaction forte (voir le tableau des particules élémentaires).
Ces particules sont souvent représentées sous la forme de petite sphères dans lesquelles s’agitent de plus petites sphères représentant les quarks. En fait, ne pouvant les voir directement du fait de leur très petites dimensions, ce sont juste leurs trajectoires qui sont visibles dans les détecteurs de particules. L’animation du proton ci-contre est sans doute plus proche de la réalité, sauf pour les gluons, qui sont des vecteurs de force sans masse donc invisibles.
Actuellement nous connaissons deux manières d’obtenir de l’énergie nucléaire. L’énergie de fission décrite par le schéma de gauche et l’énergie de fusion décrite par le schéma de droite. Nous savons utiliser l’énergie de fission mais nous ne maitrisons pas encore l’énergie de fusion qui est en œuvre dans le Soleil.
Tous les réacteurs nucléaires utilisant la fission en service en France, qu’il s’agisse de ceux équipant les centrales électrogènes ou de ceux équipant les navires de notre Marine Nationale, sont des Réacteurs à Eau Pressurisés (REP). La seule différence dans le second cas, c’est que la place étant comptée à bord des navires et particulièrement à bord des sous-marins, le choix a été de les équiper de «REP compacts» dont le générateur de vapeur est situé juste au-dessus du réacteur nucléaire (voir l’animation ci-dessous).
A la différence des Réacteurs à Eau Bouillante (REB), tels ceux de Tchernobyl (Ukraine) et de Fukushima (Japon), dans lesquels la vapeur est directement produite dans le cœur du réacteur, dans les REP il existe un circuit primaire fermé fonctionnant à haute pression (155 bars) pour faire en sorte que l’eau portée dans le cœur à haute température (jusqu’à 300° C) n’entre en ébullition. Outre que cette eau ait une fonction modératrice en abaissant la vitesse des neutrons thermiques de 20.000 km/s à 2 km/s, elle est également un caloporteur destiné à transférer sa chaleur au circuit secondaire de production de vapeur par l’intermédiaire de faisceaux tubulaires situés à l’intérieur du (ou des) générateur(s) de vapeur selon qu’il s’agisse d’un REP compact de navire ou des REP équipant les centrales électrogènes.
Ce qui différencie grandement les REP par rapport aux REB, c’est que les REP avec leur circuit primaire fermé permettent d’éviter que des particules radioactives échappées des barres de combustible ne soient entrainées dans le circuit de vapeur et viennent polluer tous les appareils qu’il fait fonctionner.
• La réaction de Fission est naturelle sur Terre, mais pas celle de Fusion qui est active dans le Soleil •
On s'aperçut d'une manière fortuite dans les années 1970 que le gisement d'uranium d’Oklo au GABON, exploité pour sa teneur en uranium particulièrement riche, avait fonctionné en plusieurs endroits comme des réacteurs nucléaires il y a deux milliards d'années. Des clients soviétiques s'étant plaints d'une livraison de minerai appauvri en 235U, la qualité des livraisons et l'honneur du Commissariat à l'Énergie Atomique étaient en jeu. Des spécialistes furent envoyés sur le site. On se rendit compte de variations importantes des teneurs en isotopes d'un endroit à l'autre du gisement.
Des variations surprenantes, car la teneur d'un isotope est sur terre en principe, indépendante du minerai.�En raison de sa période six fois plus courte que celle de l'isotope 238U majoritaire, la concentration du 235U a diminué avec le temps. Il y a deux milliards d'années, un minerai d'uranium contenait environ 3,5 % d'isotope 235U, c'est-à-dire une concentration voisine de celle du combustible enrichi d'un réacteur nucléaire moderne, si bien que le gisement d'uranium d'Oklo au Gabon a pu fonctionner comme un réacteur moyennant un environnement favorable. De l'eau y a joué le rôle de modérateur.� Ces réacteurs naturels - dont plusieurs ont fonctionné sur le site - ne sauraient être comparés à leurs homologues construits par l'homme qui tournent à pleine puissance pendant quelques décennies. À Oklo, les réactions de fission se sont produites au ralenti pendant près de 100 000 ans, comme un feu qui couve.
Le site d'Oklo offre un exemple unique de stockage naturel des résidus d’un cœur de réacteur. Des analyses fines montrent la présence dans les filons de traces fossiles de déchets radioactifs, notamment du Plutonium, restés sur place et un minerai d'uranium appauvri en 235U.
Il est possible d'étudier les migrations d'éléments radioactifs dans le sous-sol sur une très longue période ainsi que leur confinement. L'étude d'Oklo a montré qu'il y avait eu peu ou pas de migration de l'uranium, et a mis en évidence que des minéraux du sous-sol avaient piégé efficacement certains actinides et produits de fission. On a constaté qu'un environnement de phosphates (apatites) était propice à la rétention des radioéléments.
Ce confinement est rassurant, car la Nature n'a pas pris de précautions. L'eau bouillante produite par le fonctionnement des réacteurs lessivait directement les matières radioactives, provoquant parfois des effondrements.
Même dans le pire des scénarios, il est difficile d'imaginer de tels lessivages dans les sites de stockage envisagés.� Deux milliards d’années après ces évènements, les restes des réacteurs fossiles du Gabon sont l’objet de querelles qui surprendraient les êtres primitifs qui en furent probablement les contemporains.
Quelques écologistes favorables au nucléaire les mettent en avant pour appuyer leurs dires. D'autres opposés au Nucléaire prennent grand soin d’ignorer Oklo et de ne jamais y faire allusion.
Nous venons de constater que l’énergie de fission existait sur terre à l’état naturel. Notre planète, constituée des 92 éléments naturels et de leurs nombreux isotopes, recèle en son centre une activité nucléaire qui provoque la fusion de la matière. Cette activité est modérée par la présence d’isotopes modérateurs et neutrophages, sinon ce serait l’explosion. En effet, nous savons utiliser l’énergie de fission de deux manières. Soit on réuni une masse critique de matière fissile et la réaction en chaîne provoque en un instant la libération totale de l’énergie : c’est la bombe atomique. Soit on maitrise en la domestiquant cette réaction en chaîne en la plaçant dans un milieu modérateur, tel l’eau, et en intercalant de la matière contenant des isotopes capteurs de neutrons dit neutrophages : ce sont les réacteurs nucléaires. En définitive, c’est la conversion de l’énergie de fission en énergie thermique que nous savons utiliser pour remplacer les combustibles fossiles tels le charbon, le pétrole et le gaz naturel.
Nous connaissons un autre type d’énergie nucléaire, c’est l’énergie de fusion qui est en œuvre dans le soleil. A la place de la fission (séparation) d’un noyau lourd en plusieurs noyaux plus légers et l’éjection de neutrons surnuméraires qui vont provoquer une réaction en chaîne, l’énergie de fusion va, comme son nom l’indique, faire fusionner les noyaux légers de deux isotopes 2H (Deutérium) et 3H (Tritium) de l’hydrogène pour constituer le noyau plus lourd d’un isotope de l’hélium, le 4He (Hélium 4) et l’éjection du neutron (n) surnuméraire. Il faut cependant signaler qu’il existe d’autres types de fusions de noyaux tels : (2H + 2H = 3He ž n) ou (2H + 2H = 3He ž p) ou encore (2H + 3He = 4He ž p).
Cette animation symbolise la fusion des noyaux de 2H (Deutérium situé à gauche) et de 3H (Tritium situé à droite) en un noyau de 4He (Hélium 4) avec l’éjection du neutron surnuméraire et la libération d’une grande quantité d’énergie. Les protons (p) sont de couleur rouge et les neutrons (n) de couleur verte.
Pour le moment, nous ne savons pas maitriser l’énergie de fusion. Seule la libération brutale de cette énergie a été utilisée dans la bombe à hydrogène ou bombe H.
Des réacteur nucléaires expérimentaux de fusion ont été construits ou sont en construction (exemple : ITER à Cadarache). Ils sont principalement de type TOKAMAK, sigle russe signifiant «chambre torique de confinement magnétique», concept inventé au début des années 1950 par les physiciens russes Igor TAMM et Andreï SAKHAROV.
L'enjeu est de contrôler un plasma au cœur du tokamak, dans un volume limité et assez éloigné de tout élément solide, notamment la paroi de la chambre (qui brûlerait ou fondrait instantanément sous la chaleur). Le concept initial est simple : confiner les particules dans un espace réduit, à l'intérieur de la chambre (le plasma sera alors séparé des parois par du vide).
Le plasma est constitué de particules chargées (ions et électrons) ; or ces dernières sont très facilement confinables dans un champ magnétique, car elles ne peuvent bouger que perpendiculairement à ce dernier. On fait donc en sorte que la chambre devienne un long tube, entouré d'une bobine de fil électrique formant un solénoïde. Ce solénoïde crée un champ radial (le long du rayon du tube) et, à cause de la force de Lorentz, les particules ne peuvent plus bouger que dans la direction perpendiculaire : l'axe du tube. Cette direction correspond à une ligne de champ magnétique. Ce champ magnétique va pousser les particules vers les extrémités du tube : ions d'un côté, et électrons de l'autre.
Pour être plus précis il faut aussi considérer que les particules vont se déplacer non pas en ligne droite, mais en spirale le long de la ligne de champ. Le solénoïde n'a pas besoin d'être continu. Dans la pratique, on utilise des bobines de Helmholtz, qui ont plusieurs avantages, elles sont plus simples à construire, et elles permettent d'ajourer le solénoïde pour pouvoir accéder plus facilement à la chambre interne.
On n'a donc résolu que la moitié du problème du confinement, car on n'a pas fait de confinement aux extrémités du tube. Pour pallier ce problème, on referme le tube sur lui-même, créant un tore. Ce dispositif a cependant un inconvénient : le champ magnétique n'est pas aussi homogène que dans un solénoïde. Les spires du bobinage, au niveau du grand rayon du tore (l'extérieur) sont moins serrées que les spires à l'intérieur : plus la matière s'éloigne du centre du tore, moins elle est soumise au champ magnétique. Trois phénomènes apparaissent : le plasma va avoir tendance à s'aplatir le long du petit rayon du tore. Ainsi, la section du tore (initialement circulaire) va devenir un cercle aplati : c'est-à-dire une « poloïde » ; les particules parcourent le tore, la force centrifuge va les forcer à aller vers l'extérieur, où le champ magnétique est plus faible ; les particules se déplaçant également en spirale, le long de leur déplacement, elles ne sont pas à une distance constante du centre du solénoïde.
Finalement, ces deux derniers phénomènes vont décaler la spirale de manière à ce qu'après un tour les particules ne se retrouvent plus au même endroit : elles se sont décalées perpendiculairement au tore (toujours dans des sens opposés selon qu'on regarde les ions ou les électrons).
Il faut donc un troisième confinement qui force les particules à reboucler au même endroit après un tour. La solution est de faire vriller le plasma. Il faut alors créer une force capable de faire tourner le tore de particules sur lui-même (faire en sorte que le grand rayon devienne le petit rayon et vice versa). La solution est de tordre magnétiquement le tore avec un champ qui suit le cercle défini par la section interne du tore
Pour créer ce champ magnétique qui tourne autour du tore, les équations de Lorentz impliquent qu'un courant électrique doit circuler le long du tore. Le plasma étant ionisé, il forme naturellement un conducteur en forme d'anneau. On va alors considérer cet anneau comme le secondaire d'un transformateur constitué d'une spire. Concentriquement au tore et tout autour de ce dernier on va disposer des bobines circulaires pour former le primaire du transformateur. Le courant alimentant ces bobines sera donc alternatif avec une fréquence de l'ordre du hertz.
On aurait pu appeler ce champ champ circulaire, or le tore d'un tokamak est aplati en son centre, sa section n'est plus un cercle mais un cercle aplati, qui est une variété de poloïde. C'est pourquoi le terme utilisé est champ poloïdal.
Une réaction de fusion s'obtient lorsque deux noyaux atomiques se rencontrent. Or, à l'état naturel sur Terre, les noyaux sont entourés d'un nuage électronique, le tout formant un atome. Le noyau est chargé positivement et le nuage électronique négativement (l'atome est globalement neutre). Comme les pôles sud ou nord d'un aimant se repoussent, les nuages électroniques sont repoussés et forment une carapace de protection pour les noyaux . La première étape consiste à séparer les noyaux de leur nuage électronique. Deux méthodes existent : soit abaisser la pression (comme dans les tubes d’éclairage à néon), soit chauffer le gaz (comme dans une flamme).
La deuxième étape consiste à remplir une chambre avec un gaz de 2H deutérium/3H tritium (les réactifs) sous une très faible pression (seuls quelques grammes de matières suffisent à «remplir» uniformément la chambre du tokamak). Dans ce cas, le confinement est mécanique. Le gaz est ensuite chauffé par micro-ondes (même principe que celui du four domestique) : il va commencer à perdre des électrons. La température au cœur du plasma se situe entre 100 et 200 millions de degrés (plus que le 15 millions de degrés au centre du Soleil) et en périphérie autour de 5 000 degrés. C’est la raison pour laquelle il est absolument interdit que le plasma lèche les parois de la chambre torique. Seuls les neutrons excédentaires qui bombardent ces parois sont préjudiciables à la tenue à long terme du matériau neutrophage constituant ces dernières. Ce matériau est composé de 7Li, un isotope stable du Lithium (3Li) qui, consécutivement au «bombardement» neutronique issu de la fusion, va produire du 3H Tritium radioactif. Par contre, il n’y a pas de risque d’emballement du processus car il n’y a pas de réaction en chaîne, ni production de radionucléides à vie longue comme dans la réaction de fission. On estime qu’il faudra au moins une trentaine d’années encore pour, peut-être, maitriser ce type d’énergie. Dans les réacteurs expérimentaux de type Tokamak qui ont fonctionné jusqu’à maintenant, la stabilité du plasma n’a pas excédé quelques minutes.
Pour atteindre l'objectif d'une fusion auto-entretenue, il est nécessaire de pouvoir confiner une grande quantité de plasma. Il faut par conséquent construire des tokamaks de grande envergure, tel qu'ITER (23 000 tonnes), dont les coûts de construction et de maintenance sont très importants. Ce que nous pouvons en déduire, c’est qu’à moins de trouver des procédés permettant de «miniaturiser» la taille de réacteurs de type tokamak, il est inenvisageable d’en équiper des navires pour la production d’énergie.