Quelles sont les utilisations du nucléaire et de l'atomique ?

Le mot nucléaire vient du latin nucleus qui veut dire noyau.

L'énergie nucléaire (on dit aussi énergie atomique) est dégagée par la désintégration (=transmutation) du noyau des atomes instables. Pour obtenir une meilleure stabilité, l'atome instable va se transformer en un autre type d'atome en expulsant de l'énergie sous forme de rayonnements ceci correspond au phénomène de la radioactivité. L'énergie nucléaire  est l'énergie libérer lors des réactions impliquant le noyau d'un atome  On distingue l'énergie de fission, utilisée dans les centrales nucléaires cela correspond à l'explosion d'un noyau en plusieurs fragments avec émission de neutrons et de rayonnements, et la libération de l'énergie. L'énergie de fusion, qu'on ne sait pas encore maîtriser au niveau industriel, consiste à réunir des noyaux d'atomes légers entre eux.

Une centrale nucléaire est une centrale électrique qui utilise la fission nucléaire (de matières fissiles) pour produire de la chaleur dont une partie est transformée en électricité

Une centrale nucléaire produit de la chaleur grâce à l'uranium. Il subit la fission nucléaire (il subit un bombardement de neutrons, donc les noyaux d'uranium éclatent en libérant des rayonnements qui transportent de l'énergie considérable).

Le principe du fonctionnement d'une centrale nucléaire est le même que celui d'une centrale thermique classique qui produit de l'électricité c'est à dire de l'eau est portée à ébullition par une chaudière. La vapeur d'eau sous pression produite fait tourner une turbine à vapeur d'eau qui actionne un alternateur générant le courant électrique.

La radioactivité

Qu'est ce que la radioactivité ?

Un noyau radioactif est un noyau instable qui va se désintégrer et ainsi se transformer en un autre noyau plus stable ou non.

Cette désintégration est un phénomène aléatoire, spontané et inéluctable (qu'on ne peut empêcher).

La désintégration s'accompagne de l'émission d'une particule et d'un rayonnement électromagnétique.

Il existe trois types de radioactivités.

Radioactivité bêta

La radioactivité bêta est un type de désintégration radioactive où une particule bêta (électron ou positron) est émise. On parle de radioactivité bêta + quand un positron est émis mais on parle de radioactivité – quand c’est un électron qui est émis.

Radioactivité alpha

La radioactivité alpha est un rayonnement provoqué par une désintégration alpha qui est une désintégration radioactive où un noyau atomique éjecte une particule alpha qui se transforme en un autre noyau dont le nombre de masse est diminué de 4 et le numéro atomique de 2 à cause de la particule alpha manquante qui est analogue au noyau d’hélium 4.

Radioactivité gamma

La radioactivité gamma est un rayonnement provoqué par une désintégration gamma. Le plus souvent, ces désintégrations accompagnent des désintégrations alpha ou bêta. En effet, quand il émet un rayon alpha ou bêta, le noyau devient excité. Lors de l’émission d’un rayonnement électromagnétique gamma, le noyau peut donc redescendre à un état plus stable.

Sa découverte

Comme beaucoup d'autres découvertes scientifiques, le phénomène de radioactivité a été découvert complètement par hasard.

Comment mesurer la radioactivité ? Cet appareil est appelé un dosimètre. Il permet de mesurer la radioactivité dans l'air ambiant. Même si l'unité de mesure de la radioactivité dans le Système International est le Becquerel c'est le Sievert qui est exprimé sur les dosimètres. Il permet de définir la dose de radioactivité à laquelle est exposé le sujet.,

Le premier à l’avoir mis en évidence, c’est Henri Becquerel. Celui-ci faisait des recherches sur les liens potentiels entre les rayons X et la fluorescence. Pour cela, il utilisait une préparation de sel phosphorescent d’uranium. Tout d’abord, il déposa ce sel sur des plaques photographiques enveloppées dans du papier noir. Ensuite, il exposa cette préparation au soleil puis développa les plaques. Les photographies montrent l’image des cristaux de sel d’uranium. Henri Becquerel en déduit que cette image a été créée par les rayons X découverts quelques temps plus tôt par Wilhelm Conrad Röntgen, un physicien allemand. Le raisonnement de Becquerel est simple : il pense que l’énergie solaire est absorbée par l’uranium avant d’être réémise sous forme de rayons X. Pour confirmer ses hypothèses, il souhaita poursuivre ses expériences. Mais ces expériences impliquaient la présence du Soleil qui se montra timide plusieurs jours durant. Henri Becquerel a donc été contraint de repousser ses expérimentations et rangea ses plaques photographiques imprégnées de sel d’uranium dans un placard. Quelques jours plus tard, il les ressortit et décida de les développer bien qu’il ne s’attende pas à trouver grand chose. En conclusion, la radioactivité a été découverte en 1896 par Henri Becquerel lors d'une étude concernant l'uranium et cette découverte sera confirmée plus tard par Marie Curie après une étude du radium.

Marie Skłodowska-Curie est une physicienne et chimiste d’origine polonaise. Elle est très connue pour sa découverte de la radioactivité naturelle et des éléments 84 et 88 : le polonium et le radium. Elle reçut de multiples prix et distinctions pour ses recherches. Elle reçut en 1903 le prix Nobel de physique et en 1911 le prix Nobel de chimie. C’était la première femme à recevoir ce genre de distinction et encore à ce jour elle est la seule à en avoir reçu deux

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Les réactions en chaîne

La fusion

A très haute température, deux noyaux légers peuvent fusionner pour en donner un seul et en émettant un rayon g. On appelle capture neutronique la capture par un noyau d’un neutron rapide qui augmente d’une masse le noyau qui le capture.

Qu'est-ce que la fusion atomique ? La fusion atomique dégage beaucoup plus d'énergie que la fission mais le problème est que nous n'arrivons pas encore à la contrôler assez bien pour nous en servir.

La fission

La fission nucléaire est le phénomène physique lors duquel un noyau atomique lourd (uranium par exemple) est divisé en plusieurs atomes plus légers.
Lors de cette division, des neutrons sont émis. Cette émission cause une puissante énergie et ce multiplié par le nombre d'atomes.

Période radioactive

On appelle période radioactive le temps nécessaire pour que la moitié des noyaux d’un isotope radioactif se désintègre de manière naturelle. Cette période n’est influencée en aucun cas par les conditions de l’environnement, que ce soit la température, la pression ou encore le champ magnétique, elle est propre à l’isotope en question. Statistiquement, on peut dire que la période radioactive est le temps à l’issue duquel le noyau de l’atome a 50 % de chances de s’être désintégré.

Les isotopes

Des noyaux isotopes sont des noyaux que renferment le même nombre de protons mais un nombre de neutrons différents, ils ont le même symbole.

Certains de ces isotopes sont radioactifs.

En résumé, des isotopes sont des atomes qui possèdent le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons.

La demie-vie

La demie-vie d'un isotope se caractérise par la période au bout de laquelle la moitié des atomes d'un certain échantillon initial radioactif se sera désintégré.

Les usages de la radioactivité

Les centrales nucléaires

Les centrales nucléaires sont des centres de production d'électricité qui utilisent le principe de la vapeur et de la turbine pour créer de l'énergie.

La chaleur nécessaire est alors produite par des réacteurs nucléaires.

Pour créer cette puissante énergie, on utilise la fusion nucléaire évoquée plus tôt.

On considère que la production d'électricité est supportée à hauteur d'un peu de 10 % par le nucléaire.

Le combustible utilisé dans la majorité des centrales est l'uranium. On en consomme environ 60 000 tonnes par an. On utilise son isotope 235 qui produit beaucoup d'énergie lors de sa désintégration. Parfois, de l'uranium 238 peut également être rencontré.

Si les centrales nucléaires sont aussi controversées, c'est pour leur empreinte environnementale. En effet, la fission nucléaire crée de nombreux déchets nucléaires, principalement de l'uranium appauvri et du plutonium. Cela oblige à enfouir ces déchets très profondément dans les sols.

De plus, le démantèlement d'une centrale nucléaire prend des années et le sol une zone interdite pendant de nombreuses années. Par exemple, en 2020, l'Etat Français décide d'arrêter l'exploitation de la centrale de Fessenheim en Alsace. Les experts disent qu'il faudra 40 ans pour démanteler et retraiter toutes les infrastructures de la centrale.

Comment la vapeur crée de l'électricité ? Grâce à la vapeur d'eau produite, la turbine tourne et crée de l'électricité par un principe de rotor et stator.

Les bombes nucléaires

La radioactivité a pris une importance lors des conflits de la Seconde Guerre mondiale. Cette guerre a vu l'arrivée des premières bombes atomiques.

Il en existe maintenant trois types.

La bombe atomique

La bombe atomique (A) est appelée aussi « bombe à fission ». La théorie de la relativité, établit par Albert Einstein, est à l'origine du fonctionnement de la bombe atomique

 La bombe atomique est ultra puissante et fonctionne grâce à l'énergie nucléaire. Elle est fondée sur le principe de la fission nucléaire. Elle utilise des éléments fissiles comme l'uranium 235 et le plutonium 239 (l'absorption d'un neutron par l'uranium 238 aboutis à un nouvel élément le plutonium 239)

Les bombes à fission furent les premières armes nucléaires construites au cours de la Seconde Guerre Mondiale.

Le fonctionnement de la bombe atomique a été préparé lors du projet " Manhattan ", par les Américain.

L'explosion est due à une fission nucléaire. La réaction nucléaire engendre toute la création de la bombe atomique. Celle-ci se crée en libérant cent millions de fois plus d'énergie qu'une molécule de carburant en moins d'un centième de seconde. Pour provoquer davantage dégâts possible la bombe n'explose pas au contact du sol mais environ à 500 mètres d'altitude pour que le diamètre de l'explosion soit plus large.

La première explosion expérimentale du 16 juillet 1945 est celle d'une bombe au Pu 239. La puissance de cette bombe équivalait à l'explosion de 22000 tonnes de TNT (Trinitrotoluène), explosifs utilisé dans les bombes classiques.

Ce sont deux bombes A qui ont été lâchées sur les villes japonaises Hiroshima et Nagasaki en 1945. Elles ont été nommées respectivement Little Boy et Fat Man.

Qu'est-ce qu'un champignon atomique ? Les explosions atomiques créent souvent un champignon de cendres et de particules radioactives. Ce dernier peut s'élever à plusieurs kilomètres d'altitude. Les vents dispersent ensuite les particules chargées sur des milliers de kilomètres si rien ne l'arrête.

La bombe à neutrons

La bombe à neutrons et souvent appelée bombe N ou bombe à rayonnement renforcé. Il s'agit d'une bombe nucléaire qui explose avec de puissantes émissions neutroniques. Sa différence face aux bombes atomiques et aux bombes à hydrogène est qu'elle laisse moins de retombées radioactives et qu'elle cause des dégâts sur les tissus organiques et les appareils électroniques.

Son invention date de 1958 par un physicien américain. Son développement va courir jusque dans les années 1960 et il se soldera par les premiers essais dans le Nevada en 1963.

Côté français, nous avons aussi produit des bombes N et les avons mêmes essayées sur le site d'essai de Moruroa en Polynésie Française. Cependant, toutes les ogives, appelées missiles Hadès du nom du dieu de la guerre, ont été détruites.

A ce jour, aucun pays du monde n'est connu pour posséder de bombe à nucléons.

Ces bombes peuvent avoir plusieurs applications. Elles peuvent servir comme anti-missiles grâce à leurs capacités de bombe électronique. On les retrouve également dans la lutte anti-personnelle. En effet, même si ses effets radioactifs sont limités dans le temps, la radioactivité libérée par une bombe N lors de son explosion est très importante et cause le décès immédiat de toutes les personnes présentes.

La bombe à hydrogène

 La bombe hydrogène (H) est aussi appelé "bombe à fusion" ou encore "bombe thermonucléaire" La fusion nucléaire libère extrêmement plus d'énergie que la fission nucléaire, elle est utilisée dans les centrales nucléaires actuellement et les bombes atomiques (A). L'énorme puissance thermique est produite par l'explosion de la bombe à fission qui engendre le processus de la fusion nucléaire.

La bombe à hydrogène explose en trois étapes. Dans un premier temps il y a une fission nucléaire pour commencer une réaction de fusion. La réaction de fusion se produit à de très hautes pressions et à des températures proches de 100 millions de degrés dans le noyau pour pouvoir surmonter les répulsions atomiques.

Dans un second temps, la deuxième étape est la fusion nucléaire (thermonucléaire) d'atome légers comme l'hydrogène.

Enfin dans un troisième temps, la dernière étape se forme pendant la réaction de la fusion au moment de laquelle les neutrons sont libérés rapidement avec une énergie si puissante qu'ils sont capables de fissionner les atomes d'uranium-235 et donc de réduire leur concentration. Ce phénomène à lieu seulement à haute température. Cette dernière étape double et même plus la puissance de l'explosion et produit des retombées radioactives (dangereuses) de la bombe (H).

Ces trois étapes ce produisent environ en 600 milliardièmes de secondes (550 milliardièmes de secondes pour la réaction de fission et 50 milliardièmes de secondes pour la réaction de fusion).

L'énergie des bombes atomiques est limitée de quelques milliers de tonnes de TNT alors que les bombes hydrogènes n'ont pas de limite pratique. Si l'on rajoute à la deuxième étape du processus de la bombe (H) plus de deutérium et de tritium la bombe sera plus puissante contrairement a la bombe atomique (c'est pour cela que l'on exprime l'énergie d'une bombe à fusion en méga tonnes et l'énergie d'une bombe à fission en kilo tonnes). Comme cette bombe (H) explose en trois partie on peut aussi la nommer de la bombe "fission, fusion, fission".

La bombe (H) est dite bombe "propre" par les militaires quand 50% de son l'énergie totale provient de la réaction de la fission. Les retombées de ces bombes sont beaucoup moins dangereuses que les bombes hydrogène classique.

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.

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