De la chimie au nucléaire, le bond de l'énergie
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Le terme nucléaire vient du latin nucleus, qui veut dire noyau. L’ est dégagée par la fission du noyau de certains atomes lourds. Elle met en jeu des forces bien plus considérables que celles engagées dans les réactions chimiques qui caractérisent par exemple la combustion du pétrole ou du gaz. Mais, du fait de sa , cette énergie doit être maîtrisée et contrôlée par des techniques complexes.
© En se cassant, les noyaux d'uranium génèrent une grande quantité d'énergie sous forme de chaleur. Un réacteur nucléaire reproduit ce principe de fission pour créer de la vapeur, puis de l'électricité. THINKSTOCK
Les planètes, l'air, l'eau, les rochers, les êtres vivants... Tout, dans l'univers, est composé d'atomes. Invisibles à l’œil nu, les atomes sont eux-mêmes composés de plusieurs éléments.
Chaque atome est constitué :
- De son noyau, lui-même formé de protons et de neutrons ;
- D'électrons, qui gravitent autour du noyau à très grande vitesse1.
S’ils sont éloignés les uns des autres, protons et électrons sont liés par leur charge électrique de même valeur, mais positive pour l’un (proton) et négative pour l’autre (électron). Ils sont en nombre égal, ce qui rend l’atome électriquement neutre. Les neutrons sont des particules neutres, mais ils jouent un rôle important dans la cohésion du noyau et contribuent fortement à sa masse.
La chimie est la combinaison des atomes entre eux, obtenue en redistribuant leurs électrons, ce qui implique tout un système de forces, donc d’énergie. Brûler du bois, du charbon, du gaz, c’est libérer de l’énergie chimique.
Le nucléaire intervient quant à lui sur les noyaux, dont la cohésion est très élevée. Les liaisons qui unissent les particules du noyau sont en effet considérablement plus fortes que celles qui retiennent les électrons sur leur orbite. « Casser » les noyaux d’un gramme d’ dégage 1 million de fois plus d’énergie que brûler 1 gramme de fossile dans une réaction chimique.
C'est le nombre de protons - identique à celui des électrons - qui donne à l'atome ses propriétés chimiques. Le plus léger des éléments est l’ (1 proton). L’élément naturel le plus lourd de la croûte terrestre est l’uranium (92 protons). Deux atomes ayant le même nombre de protons - mais un nombre de neutrons différent - sont des isotopes. Leurs propriétés chimiques sont identiques, alors que leurs propriétés physiques, notamment nucléaires, sont différentes.
Fusion et fission nucléaire
L’ a été identifiée dans les années 1930, avec ses deux grandes réactions, la fusion et la fission.
La : il s’agit de rapprocher deux noyaux légers d’hydrogène qui fusionnent pour former l’hélium, élément à deux protons. C’est cette réaction qui assure le rayonnement du soleil. L’Homme l’a réalisée dans les bombes H et cherche à la reproduire de façon contrôlée dans le projet .
La est à la base du nucléaire civil tel qu’il existe aujourd’hui. Il s’agit de casser de gros noyaux. On appelle « fissile » un atome dont le noyau peut se casser en deux morceaux sous l'effet de l’impact d’un neutron. Cette rupture libère d’autres neutrons qui provoquent à leur tour de nouvelles fissions, libérant d'autres neutrons… provoquant ainsi ce que l’on appelle une 2. Cette réaction s'accompagne d'un important dégagement d'énergie et d'une augmentation de la de la matière. Le principe d'un consiste à maîtriser cette réaction en chaîne et à en récupérer l’énergie sous la forme de chaleur pour la transformer en .
La fission n’est possible qu’avec un petit nombre de gros noyaux. Cela commence avec l’isotope-232 du thorium (90 protons et 142 neutrons, donc 232 particules), mais avec une probabilité extrêmement faible. Dans la nature, c’est l’uranium-235 (92 protons, 143 neutrons) qui est le plus efficace et l’on cherche donc à augmenter son taux pour obtenir un combustible enrichi.
L’uranium-238 (92 protons, 146 neutrons), très abondant dans le minerai, est moins performant mais il se transforme dans le réacteur nucléaire en plutonium-239 qui, lui, est fissile (comme tous les isotopes impairs).
La radioactivité
La modification des équilibres des noyaux, qu’elle soit provoquée ou naturelle, émet des particules ou des rayonnements électromagnétiques, appelés communément « rayons », classés en plusieurs catégories (α, β, γ) : c’est la . Contrôlée, celle-ci peut avoir des effets curatifs en médecine, mais reçue à haute dose, elle présente des dangers pour les matières vivantes, et notamment les tissus humains.
Sources:
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