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Le B A BA de la physique nucléaire

lundi 23 avril 2012 par Jean-François

Résumé de cet article

Au niveau le plus fin, toute matière est faite d’atomes, comprenant un noyau (lui-même composé de protons et de neutrons) autour duquel gravitent des électrons.

Ces atomes sont rassemblés en molécules que l’on peut faire réagir les unes avec les autres. On est dans le domaine de la chimie.

On peut aussi agir au niveau des noyaux des atomes (les casser en deux, les fusionner...). On est dans le domaine du nucléaire.

Les réactions nucléaires produisent environ un million de fois plus d’énergie que les réactions chimiques.

Les noyaux instables émettent des rayonnements, c’est la radioactivité (naturelle et artificielle).

Les effets et les risques de la radioactivité sont très différents selon qu’il s’agit de fortes doses sur courtes périodes ou de faibles doses sur longue période, ce qui rend très difficile l’estimation de la sur-mortalité à long terme d’un accident nucléaire majeur.

Que les vrais scientifiques se voilent la face, cet article est sûrement plein d’approximations éhontées !
Il a seulement pour objet, comme l’indique son titre, de fournir l’information minimale permettant d’aborder la production d’énergie nucléaire, que vous pouvez trouver dans cet article.

1. La constitution atomique de la matière

Toute matière, qu’elle soit solide, liquide ou gazeuse est constituée d’atomes. Démocrite (IVème siècle avant JC) en avait eu l’intuition. Niels Bohr (de nationalité danoise, prix Nobel en 1922) en a proposé la première représentation satisfaisante (modèle dit planétaire, par analogie avec le système solaire).

Un atome est en effet composé de la façon suivante :

 Un noyau
- Des électrons

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Représentation de l’atome
- Un noyau
- Des électrons

- Au centre, un noyau, comprenant des neutrons et des protons.
Autour, des électrons qui gravitent, sur une ou plusieurs orbites (ou couches).

- Les neutrons sont électriquement neutres (comme leur nom l’indique)
- Les protons sont électriquement positifs.
- Les électrons sont électriquement négatifs. Leur masse est très faible, 2 000 fois inférieure à celle d’un proton.
Il y a le même nombre de protons et d’électrons, de sorte que l’atome soit électriquement neutre.

L’atome le plus simple est l’hydrogène, avec un proton et un électron. Puis on trouve successivement tous les éléments de la matière, au fur et à mesure qu’augmentent les nombres de protons, de neutrons et d’électrons.
L’uranium dit 238 comporte 92 protons (donc 92 électrons) et 146 neutrons (d’où son nom 238 venant de 92+146=238).

Si vous voulez en savoir plus sur la "classification périodique des éléments" et le tableau de Mendeleïev, vous pouvez aller voir ce site.

A noter que :
- Les propriétés chimiques d’un corps dépendent de son nombre d’électrons sur la couche la plus externe.
- La masse et les propriétés atomiques d’un corps dépendent du nombre de protons et de neutrons de son noyau.

Il en résulte que deux corps ayant le même nombre d’électrons (donc de protons) mais ayant des nombres de neutrons différents ont des propriétés chimiques identiques mais des propriétés atomiques différentes.
On dit que ce sont des "isotopes". Ainsi l’uranium 235 comporte 3 neutrons de moins que l’uranium 238. Il est un peu moins "lourd" mais il a les mêmes propriétés chimiques.

2. Molécules, réactions et énergie chimiques

A l’état naturel, des atomes isolés les uns des autres n’existent pas. Il sont toujours assemblés à plusieurs (au moins deux, identiques ou différents) pour former une molécule.
Cet assemblage se fait par mise en commun d’électrons situés sur la couche externe de chaque atome.

Voici par exemple la représentation d’une molécule de saccharose, composée d’atomes de carbone, d’hydrogène et d’oxygène.

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Molécule de saccharose

Cet assemblage d’atomes en molécules peut-être modifié par réactions chimiques. Selon les cas, la réaction peut absorber de l’énergie ou au contraire en dégager.

Par exemple la combustion du méthane est une réaction chimique où une molécule de méthane (composée d’atomes de carbone et hydrogène) et quatre molécules d’oxygène vont se transformer en donnant une molécule de gaz carbonique et deux molécules d’eau.

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Réaction chimique de combustion


Cette réaction chimique va produire de la lumière et de la chaleur.

3. Energie nucléaire

L’énergie chimique se cache donc dans le ré-arrangement des molécules, mais où se cache l’énergie nucléaire ?

Je vous rappelle que le noyau d’un atome est composé de protons et de neutrons et j’entends déjà votre objection : comment des protons, tous chargés positivement, peuvent ils rester agglomérés dans le noyau ? Alors que, c’est bien connu, des charges électriques de même signe se repoussent !
Pour le savoir, il va falloir le demander à ce farceur d’Einstein.

L’équation représentant la masse du noyau est en effet la suivante :

Masse totale du noyau < masse de ses constituants (protons et neutrons) Étonnant, n’est-ce pas ?

Il y a "défaut de masse" et voilà où se cache l’énergie nucléaire : ce défaut de masse est l’énergie de liaison, celle qui "agglutine" entre eux les protons du noyau, alors qu’ils ont tellement envie de se repousser.
Et, compte tenu de la formule E=mc² (c² étant le carré de la vitesse de la lumière), cette énergie est "énôôrme".

En ordres de grandeurs, l’énergie nucléaire (liaisons internes au noyau) est des millions de fois supérieure à l’énergie d’une réaction chimique (liaisons entre les molécules).

ATTENTION : on vient de m’apprendre qu’Einstein ne serait pas l’auteur de la formule ci-dessus, mais qu’elle aurait été découverte par une femme savante du XVIIème siècle

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Cliquer pour découvrir le véritable inventeur de la formule

4. Energie de fission, énergie de fusion

Tout le problème de l’ingénierie nucléaire est de maîtriser et de récupérer cette énergie de liaison intra-atomique.
Deux formules sont envisageables : la fission et la fusion

4.2 La fission nucléaire

Le principe est simple, on va casser un gros noyau en deux et récupérer une partie de l’énergie de liaison alors libérée.

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Fission nucléaire réussie
Production de 2 produits de fission (ex : iode, césium)

- On précipite un neutron sur un gros noyau, par exemple d’uranium 235.
- Le noyau va absorber ce neutron mais il va alors devenir instable et se fissionner en deux noyaux plus petits (les sous-produits de fission, ils sont radioactifs - voir en 5. ci-dessous - donc fort embêtants).
En plus il va libérer deux (ou trois) neutrons.
- On va s’arranger pour que l’un de ces neutrons (et un seul) vienne à son tour percuter un autre noyau d’uranium (il faut le ralentir).
- Et la réaction va se poursuivre, libérant à chaque fois, sous forme de chaleur, une partie des énergies de liaison des noyaux d’uranium.

C’est là tout le principe d’un réacteur nucléaire à fission.

4.2 La fusion nucléaire

C’est le contraire de la fission : on va prendre deux atomes légers et les fusionner en un seul, plus lourd. Et bien sûr récupérer une partie de l’énergie de liaison.

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Fusion nucléaire

- On précipite l’un vers l’autre un atome de deutérium et un atome de tritium.
- Ils fusionnent en un atome d’hélium, en libérant au passage un neutron très énergétique.

Au total, l’énergie produite par une réaction de fusion est environ dix fois supérieure à celle d’une réaction de fission.
De plus les produits de base (deutérium et tritium) sont très courants ou faciles à obtenir. Et la réaction produit de l’hélium, donc il n’y a pas de sous-produits radioactifs.

Voila le principe d’un réacteur à fusion. C’est tentant !
Le problème : c’est un tout petit peu difficile à réaliser (vers 2100 ? 2120 ?).

5. La radioactivité

5.1 Les différents types de radioactivité

Lorsqu’un noyau est instable (par exemple du fait d’un nombre de protons trop important) il se désintègre en émettant un rayonnement, c’est la radioactivité. On distingue trois types de rayonnement :

- Le rayonnement alpha : : un gros noyau (instable) tend à revenir à un état stable en expulsant deux neutrons et deux protons.

- Le rayonnement béta : un proton en excès est transformé en neutron et un électron est expulsé. C’est le rayonnement béta(-), il y a aussi un rayonnement béta(+) avec émission d’un anti-électron...(!).

- Le rayonnement gamma : si le noyau se retrouve avec un trop plein d’énergie, il s’en débarrasse en expulsant un photon (pour simplifier, une particule de lumière très énergétique).
Les rayons X utilisés en radioscopie sont un rayonnement gamma.

La durée de la radioactivité (on parle de "période") dépend de l’instabilité du noyau. Elle va de quelques millisecondes (pour les noyaux les plus instables) à des millions d’années.
La nocivité de la radioactivité et la façon de se protéger dépendent du type de rayonnement et de la quantité d’énergie émise.
Globalement ces différents rayonnements, lorsqu’ils atteignent une cellule d’un corps vivant, peuvent la détruire ou modifier son ADN.

5.2 Les unités de mesure de la radioactivité

L’unité de mesure de la radioactivité est le Becquerel (Bq). 1 Bq correspond à la désintégration d’un noyau par seconde. Le Bq est une très petite unité. On utilise plutôt le KBq, MBq (Méga) et surtout le GBq (Giga). Le Bq a remplacé la Curie, 1 GigaBq=27 milliecurie.

Pour mesurer la quantité d’énergie reçue (par kg de matière) du fait de la radioactivité on utilise le Gray (Gy). Cette unité a remplacé le Rad ; 1 Gy=100 Rad.
La quantité d’énergie reçue (en Gray) a partir de l’émission radioactive (en Bq) dépend évidemment des conditions de protection. On peut estimer qu’il faut Plusieurs GBq (Giga Becquerel) pour recevoir 1 mG (milliGray).

Pour mesurer l’effet de la radioactivité sur un organisme vivant on doit utiliser le Sievert (Sv) et plus souvent son millième, le millisievert (mSv).
Le Sv correspond à 1 Gy multiplié par des coefficients dépendant de la nocivité des différents types de rayonnement.
Cette unité a remplacé le rem (1 rem = 10 mSv)

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La radioactivité
Becquerel = nb d’objets envoyés
Gray = nb d’objets reçus
Sievert = effets sur le corps selon la nocivité des objets reçus

5.3 Les doses de radioactivité admissibles

La dose admissible pour le public est de 1mSv par an, en sus de la radioactivité naturelle.
La radioactivité naturelle est d’environ 2,5 mSv/an (vie dans une contrée granitique, voyage en avion, alpinisme…)
Les examens radiologiques apportent une dose d’environ 0,2 à 1 mSv selon leur durée.

Pour les professionnels habilités à travailler a proximité de sources radioactives (radiologues, professions du nucléaire…), la dose maximale admise est plus importante (mais des examens médicaux réguliers sont prescrits) : 100 mSv sur 5 ans, avec un maximum admis de 50 mSv sur une année (Code du travail, Article R231-76).

5.4 Effets sur l’organisme de doses supérieures aux doses admises

Ces effets sont analysés différemment selon qu’il s’agit de fortes ou de faibles doses.

- Les fortes doses absorbées pendant un temps court ont des effets "déterministes" : brûlures, destruction massive de cellules pouvant entraîner rapidement la mort.
- 50 mSv sur courte période serait la plus petite dose à partir de laquelle on peut prouver l’apparition de cancers .
1 Sv en une fois entraîne une augmentation du risque de développer un cancer mortel d’environ 5% plusieurs années plus tard.
- 4 à 8 Sv : les symptômes sont identiques mais plus intenses et on assiste à la mort de 50% des irradiés.
- 10 Sv : dommages immédiats très sévères, entraînant la mort en quelques semaines.

- Pour les faibles doses (en deçà de 100 mSv) sur longue période, les études n’ont pas établi de façon indiscutable l’existence d’une relation entre dose de rayonnements et risque de cancers. Ça ne veut pas dire qu’il n’y a pas d’effets, aussi on peut seulement estimer une probabilité de risque d’apparition de cancers à long terme (effets stochastiques).
- 1 Sv accumulé sur un temps long peut entraîner (temporairement) des nausées, une baisse des globules blancs et des leucocytes mais pas la mort. Tout redevient normal en peu de temps.
- 1 à 2,5 Sv : on constate l’apparition de troubles sanguins et digestifs mais non définitifs.
- 2,5 à 4 Sv : on observe des vomissements, des vertiges, la modification de la formule sanguine et les barrières immunologiques détruites ; mais ces effets ne sont toujours pas définitifs. Ils ne deviennent irréversibles qu’au-dessus de 4 Sv.

Si vous voulez en savoir plus sur la radioactivité, je vous conseille ce site. Les différentes rubriques accessibles dans le menu de gauche sont très complètes.


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