B) La fission nucléaire

1.Principe

Nous allons tout d’abord expliquer de quoi est constituée la matière avant de parler du principe de la fission. La matière est composée d’atomes. Les atomes, du grec « atomos » signifiant insécable, sont les particules élémentaires de la matière. En effet les grecs supposaient que la matière ne pouvait pas être divisée indéfiniment. Ainsi, ils ont postulé l’existence de grains invisibles à l’origine de la matière.

Aujourd’hui on sait que les atomes sont constitués d’un noyau, lui-même composé de protons (particules chargées positivement) et de neutrons (particules électriquement neutres). Ces particules sont appelées les nucléons. La cohésion du noyau est due à une force appelée interaction forte. Des particules chargées négativement appelées électrons gravitent autour du noyau pour former un nuage électronique. La charge élémentaire est de e=1,602x10-19C. La charge d’un proton est de +e et la charge d'un électron est de -e.Le nombre de protons est égal au nombre d’électrons, le noyau est électriquement neutre : enoyau=n×(+e)+n×(-e)=0

La fission nucléaire consiste à envoyer un neutron sur le noyau d'un atome (habituellement de l'uranium ou du plutonium) pour le diviser en deux. Le neutron qui n'est pas chargé, peut en effet pénétrer à l'intérieur du noyau, alors qu'un proton serait repoussé immédiatement (car deux charges positives se repoussent).

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Processus de fission nucléaire

Le noyau d’uranium 235 absorbe un neutron, il devient instable et se scinde en deux nouveaux atomes (Xénon et Strontium) en émettant plusieurs neutrons à son tour  (en moyenne 2,3). Ces neutrons vont rencontrer d’autres noyaux d’uranium : on appelle ce phénomène une réaction en chaine.

Mais dans une centrale nucléaire la fusion est contrôlée, c’est-à-dire que les neutrons sont freinés par un modérateur, le plus souvent de l’eau. De plus un seul des neutrons relâché par la fission doit être conservé pour une réaction dans un réacteur. Les autres neutrons sont absorbés par des matériaux fertiles qui recouvrent les parois des réacteurs.

De surcroît on trouve deux types d’isotopes dans les minéraux d’uranium : l’uranium 235 qui est fissile et l’uranium 238 qui est fertile. Lorsqu’il est bombardé par des neutrons l’uranium 238 ne se scinde pas mais il se transforme en plutonium 239 qui lui est fissile au même titre que l’uranium 235.

Ces réactions libèrent beaucoup d’énergie, de l’ordre de 200 MeV, en effet d’après la théorie de la relativité d’Albert Einstein : E=mc² on constate une perte de masse entre les réactifs et les produits lors d’un réaction nucléaire. Or cettethéorie établit un lien entre masse et énergie, la perte de masse correspond donc à la libération d’énergie. Nous allons calculer à titre d’exemple l’énergie libérée par la fission d’un atome d’uranium.

Données :

Un atome d’uranium 235 <=> 235.044u

Un atome de strontium 94 <=> 93.9153u

Un atome de xénon 140 <=> 139.9252u

Un neutrons <=> 1.00867u

1MeV <=> 1.60*10-19 Joule

c = 299 792 458 m*s-1

 

Voici l’équation de la réaction :

 

E = mc² = [m(23592U) + m(10n) - m(9438Sr) - m(14054Xe) - 2m(10n)]*c²

E = [235.0439 - 1.0086652 - 93.9153 - 139.9252]*1.67*10-27 *(299 792 438)²

E = 2.93*10-11 Joule = 182.8761 MeV

 

Grâce à l'énergie produite par la fission de l'atome d'uranium ( 200 MeV), on fait chauffer de l'eau dans un circuit primaire fermé  à très haute température de l'ordre de 306°C. L'eau contenue dans ce circuit, grâce à un pressuriseur, reste liquide. Elle extrait les calories du combustible pour les transporter aux générateurs de vapeurs. Elle sert également de modérateur c'est-à-dire qu'elle ralentit les neutrons avant leur collision avec les noyaux d'uranium.

Dans le circuit secondaire fermé, l'eau est à l'état liquide entre le condenseur et le générateur de vapeur. Une fois dans le générateur de vapeur, l'eau se vaporise et acquiert une grande vitesse en se détendant grâce à des corps hautes pressions (55 à 11 bars), elle peut donc faire tourner une turbine. Puis l'eau arrive directement dans le condenseur où elle redevient liquide et est réutilisé dans le circuit.

Le troisième circuit semi-ouvert sert uniquement de refroidisseur pour condenser l'eau du deuxième circuit. L'eau provient de rivières, de mers ou de tours aéroréfrigérantes.

La vapeur d'eau entraine la rotation de la turbine. Le générateur, relié par un arbre à cette turbine, est entrainé par cette dernière dans un mouvement analogue. Ainsi on produit un courant électrique. Cette production correspond à environ 407 900 GWh en France c'est à dire plus de 70 % de la production électrique française.

 

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Schéma d’un réacteur à fission nucléaire

 

2.Inconvénients

On observe que la fission présente de nombreux inconvénients dont les plus importants sont d’ordre environnementaux.

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Schéma représentant les conséquences d’une libération de matériaux radioactifs d’une centrale nucléaire.

En observant ce document, on constate que la libération de matériaux radioactifs ou l'émission de particules radioactives entraine l'irradiation des sols et des cours d'eau, contaminant ainsi les plantes et les animaux pour atteindre finalement l’Homme.

On constate aussi, comme cela s'est produit lors des accidents de Fukushima et Tchernobyl, que l'émission de particules radioactives a contaminé toute la biosphère, qu'elle soit marine ou terrestre. De plus les conditions météorologiques, dans les deux cas le vent, ont conduit à la formation d'un nuage radioactif se répandant sur une grande partie de la surface du globe. La zone irradiée par l'accident de Tchernobyl est encore aujourd'hui soumise à de très fortes radiations, entrainant de nombreuses anomalies, tant sur les animaux que sur les humains.

Hormis les accidents possibles, aussi bien dus à une mauvaise gestion de la réaction en chaine, qu'à la défaillance des systèmes de refroidissement, le stockage des déchets est un des gros souci de la fission. En effet, les produits de cetteréaction ainsi que toutes les installations en contact avec ces derniers restent radioactifs pour des durées très importantes, de l'ordre de plusieurs centaines de milliers d'années. C’est pourquoi la France prévoit de construire  des infrastructures dans un site géologique étanche, stable et protégé pour stocker ces déchets à haute radioactivité et à longue durée de vie. Mais ces infrastructures vont être chères et devraient coûter entre 13,5 et 16,5 milliards d’euros.

En restant dans le stockage des déchets, on peut inclure le démantèlement des centrales, sujet d'actualité puisque les plus vieilles centrales sont en fin de vie (la plus vieille centrale française est celle de Fessenheim et date de 1977). Le démantèlement pose en effet des problèmes économiques, le coût de démantèlement des centrales était prévu initialement à 15% du prix de construction des installations mais est aujourd’hui réévalué à la hausse. Au Royaume-Uni, le coût du démantèlement du parc nucléaire a été estimé à 103 milliards d’euros pour un parc représentant la moitié de celui de la France.

Parallèlement, la fission a présente de nombreux risques pour l’Homme. L'Homme, comme décrit sur le schéma précédent, risque l'irradiation soit directe, soit par le biais de son alimentation. En plus de ce risque, la main d'œuvre nécessaire au démantèlement ( en urgence, comme à Tchernobyl, ou non ) est aussi soumise, malgré tous les moyens de protection, aux radiations ionisantes qui peuvent modifier l'ADN. Un autre risque est l'utilisation de cet fission à des fins militaires, les bombes nucléaires sont en effet beaucoup plus dévastatrices que les autres bombes car elle utilisent la fission, mais au contraire des centrales, elle n'est pas contrôlée.


 


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