Énergie nucléaire - Définition

Introduction

Selon le contexte d'usage, le terme d’énergie nucléaire recouvre deux sens différents :

• au niveau microscopique, l’énergie nucléaire est l’énergie associée à la force de cohésion des nucléons, la force nucléaire forte (protons et neutrons) au sein du noyau des atomes. Les transformations du noyau libérant cette énergie sont appelées réactions nucléaires. La force nucléaire faible, elle, régit les réactions entre particules et neutrinos ;
• au niveau macroscopique, l’énergie nucléaire correspond, d’une part à l’énergie libérée par les réactions de fusion nucléaire au sein des étoiles, d’autre part aux usages civils et militaires de l’énergie libérée lors des réactions de fission ou de fusion du noyau atomique.

Centrale nucléaire : les réacteurs nucléaires se situent dans les quatre petits bâtiments cylindriques au centre de l’image. Les quatre tours de refroidissement n’évacuent que de la vapeur d’eau non radioactive, c'est un refroidissement nécessaire pour maintenir la source froide de la machine thermique produisant l'électricité (Centrale du Bugey).

Réactions nucléaires

L’énergie nucléaire est produite par les noyaux des atomes qui subissent des transformations, ce sont les réactions nucléaires. Ces réarrangements nucléaires conduisent à des configurations plus stables, le différentiel d’énergie (correspondant au différentiel de masse) constitue alors l’énergie libérée par la réaction. Les applications de l’énergie nucléaire s’appuient sur cette énergie. Les réactions nucléaires à la base des différentes applications sont détaillées ci-après.

Fission

Fission nucléaire

Lorsqu’un neutron percute le noyau de certains isotopes lourds, il existe une probabilité que le noyau impacté se scinde en deux noyaux plus légers. Cette réaction, qui porte le nom de fission nucléaire, se traduit par un dégagement d’énergie très important (de l’ordre de 200 MeV par événement, à comparer aux énergies des réactions chimiques, de l’ordre de l’eV).

Cette fission s’accompagne de l’émission de plusieurs neutrons qui, dans certaines conditions, percutent d’autres noyaux et provoquent ainsi une réaction en chaîne. Dans un réacteur nucléaire, cette réaction en chaîne se déroule à vitesse lente et contrôlée. Dans une bombe, elle se propage si rapidement qu’elle conduit à une réaction explosive.

L’importance de l’énergie émise dans la fission provient du fait que l’énergie de liaison par nucléon du noyau initial est plus faible que celle des noyaux produits (environ 7,7 MeV par nucléon pour les éléments lourds, contre 8,8 pour le fer). La plus grande partie de l’énergie se retrouve sous forme d’énergie cinétique des neutrons et des noyaux fils, énergie récupérée sous forme de chaleur dans les réacteurs.

Radioactivité

Un corps radioactif dégage naturellement un flux lentement décroissant de chaleur. Cette chaleur peut être utilisée pour engendrer de l’électricité pour de petits générateurs appelés générateurs thermoélectriques à radioisotope. Cette application est très onéreuse, et délicate à utiliser en raison du fort environnement radioactif. Elle n’est donc utilisée que pour de petites puissances, par exemple pour alimenter en énergie une sonde spatiale qui s’éloigne du Soleil, et ne peut utiliser les panneaux solaires photovoltaïques.

Fusion

Fusion nucléaire

La fusion nucléaire est une réaction où deux noyaux atomiques s’assemblent pour former un noyau plus lourd (par exemple un noyau de deutérium et un noyau de tritium s’unissent pour former un noyau d’hélium plus un neutron). La fusion des noyaux légers dégage une énorme quantité d’énergie provenant de l’interaction forte, bien plus importante que la répulsion électrostatique entre les constituants des noyaux légers. Ceci se traduit par un défaut de masse (cf. énergie de liaison ; E=mc²) ; le noyau résultant ayant une masse moins élevée que la somme des masses des noyaux d’origine.

Cette réaction n’est cependant possible qu’à des températures très élevées (plusieurs dizaines de millions de degrés) où la matière est à l’état de plasma. Ces conditions sont réunies au sein des étoiles ou lors de l’explosion d’une bombe à fission nucléaire, qui amorce ainsi l’explosion thermonucléaire (bombe H).

Actuellement, aucun appareillage ne permet de produire de l’énergie en contrôlant les réactions de fusion nucléaire. Des recherches sont en cours afin d’obtenir un plasma sur une durée suffisante, afin que l’énergie de fusion produite soit supérieure à celle investie dans le chauffage des particules. Des recherches sont actuellement menées dans un cadre international afin de développer l’usage civil de l’énergie de fusion nucléaire pour la production électrique.