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DE LA RECHERCHE À L’INDUSTRIE > Du noyau atomique à l’énergie LA LIBÉRATION DE L’ÉNERGIE NUCLÉAIRE LA FUSION THERMONUCLÉAIRE LA FISSION NUCLÉAIRE ET LA RÉACTION EN CHAÎNE LA COLLECTION 1 > L’atome 2 > La radioactivité 3 > L’homme et les rayonnements 4 > L’énergie 5 > L’énergie nucléaire: fusion et fission 6 > Le fonctionnement d’un réacteur nucléaire 7 > Le cycle du combustible nucléaire 8 > La microélectronique © Commissariat à l’Énergie Atomique, 2002 Direction de la communication Bâtiment Siège - 91191 Gif-sur-Yvette cedex www.cea.fr ISSN 1637-5408. 5 > L’énergie nucléaire: fusion et fission

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D E L A R E C H E R C H E

À L’ I N D U S T R I E

> Du noyau atomique à l’énergie

LA LIBÉRATION DE L’ÉNERGIE NUCLÉAIRELA FUSION THERMONUCLÉAIRELA FISSION NUCLÉAIREET LA RÉACTION EN CHAÎNE

LA COLLECTION

1 > L’atome2 > La radioactivité3 > L’homme et les rayonnements4 > L’énergie5 > L’énergie nucléaire : fusion et fission6 > Le fonctionnement d’un réacteur nucléaire7 > Le cycle du combustible nucléaire8 > La microélectronique

© Commissariat à l’Énergie Atomique, 2002Direction de la communicationBâtiment Siège - 91191 Gif-sur-Yvette cedexwww.cea.fr

ISSN 1637-5408.

5 > L’énergienucléaire: fusion et fission

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Réacteur de recherche Osiris.

La centralenucléaire deCivaux (Vienne).

introductionLa matière est constituée d’atomes. En

1912, le physicien anglais Ernest Ruther-ford (qui avait montré que l’atome avait unnoyau), et le physicien danois Niels Bohr met-tent au point un modèle dans lequel l’atomeest constitué d’un noyau de charge positiveentouré d’un cortège d’électrons. En 1913,Rutherford découvre le proton et en 1932, lephysicien anglais Chadwick le neutron.En 1938, Hahn et Strassmann découvrent lafission spontanée et le physicien français Frédéric Joliot-Curie, assisté de Lew Kowarskiet Hans Von Halban, montre, en 1939, quece phénomène de cassure des noyaux d’ura-nium s’accompagne d’un intense dégagementde chaleur. La découverte de la réaction enchaîne permettra l’exploitation de l’énergienucléaire.

“Ce sont les protagonistes de la SecondeGuerre mondiale qui, en encourageant larecherche à des fins militaires, ont contribuéau développement de l’énergie nucléaire.”

Pendant la guerre de 1939-1945, les étudessur la fission se sont poursuivies aux États-Unis, avec la participation de physiciens émi-grés. Le projet Manhattan est lancé, avec pourobjectif de doter ce pays d’une arme nucléaire(qui a été utilisée à Hiroshima et à Nagasakien 1945).Dès la fin de la guerre, les recherches surl’énergie dégagée par la réaction de fissionnucléaire sont poursuivies dans le but d’uneutilisation civile. En France, en 1945, le CEA(Commissariat à l’énergie atomique) est créésous l’impulsion du général de Gaulle. Cet orga-nisme public de recherche est chargé de donnerà la France la maîtrise de l’atome dans les sec-teurs de la recherche, de la santé, de l’énergie,de l’industrie, de la sûreté et de la défense.

> INTRODUCTION 3L’é

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onParmi lespionniers, on retrouve, de gauche àdroite, BertrandGoldschmidt,Lew Kowarski et Frédéric Joliot-Curie.

> INTRODUCTION

Du noyau atomique à l’énergie 5 > L’énergie nucléaire : fusion et fission

> SOMMAIRE 32

Du noyau atomique à l’énergie 5 > L’énergie nucléaire : fusion et fission

Conception et réalisation: Spécifique - Photo de couverture: © CEA - Illustrations: YUVANOE - Impression: Imprimerie de Montligeon - 09/2002

LA LIBÉRATION DE L’ÉNERGIENUCLÉAIRE 4La cohésion des protons et des neutrons au sein du noyau atomique 5L’équivalence entre l’énergie et la masse 6Les réactions nucléaires libératrices d’énergie 7

LA FUSION THERMONUCLÉAIRE 8La fusion thermonucléaire dans les étoiles 9La fusion sur Terre 11LA FISSION NUCLÉAIRE ET LA RÉACTION EN CHAÎNE 12La réaction en chaîne 13La masse critique 14Énergie nucléaire et environnement 15

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> LA LIBÉRATION DE L’ÉNERGIE NUCLÉAIRE 5

LA LIAISON DES PROTONS ET DES NEUTRONS INDUITEPAR DES FORCES TRÈS INTENSES AU SEIN DU NOYAUEST LA SOURCE DE L’ÉNERGIE NUCLÉAIRE.

LA COHÉSION DES PROTONS ET DES NEUTRONS AU SEIN DU NOYAU ATOMIQUELes constituants de la matière sont des atomescomprenant un noyau et des électrons qui tour-nent autour (voir livret L’atome). Pénétronsmaintenant au cœur de l’atome, dans le noyau.Celui-ci est un assemblage de protons et de neutrons concentrés dans un très petit volumeet soumis à deux forces différentes: la forcenucléaire forte et la force électrique.Le noyau atomique est très petit (environ 10-12 mm) comparé à l’atome (10-7 mm).

l’énergie nucléaireLa libération del’énergie nucléaire

La force électrique n’agit que sur des parti-cules chargées, attirant celles qui sont designe opposé et repoussant celles de mêmesigne. Cette force agissant à “longue” distancepermet aux électrons, porteurs d’une chargenégative, d’être retenus autour du noyau chargépositivement.Les neutrons, en raison de leur absence decharge, ne sont pas soumis à la force élec-trique. Par contre, les protons, tous de mêmesigne, ont tendance à se repousser. Pourtant,dans le noyau, les protons et les neutrons res-tent bien associés. Cette constatation permetde dire que la force nucléaire, qui n’agit qu’àtrès “courte” distance sur les protons et les neutrons, est plus intense pour ces courtes distances que la force électrique.Cependant, la force nucléaire ne peut pascompenser à l’infini la force électrique pourla cohésion des protons et des neutrons dansles noyaux. Lorsqu’il y a beaucoup de protons,les noyaux des atomes sont moins liés etdeviennent instables.

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“Force électrique et force nucléaire se compensent pour assurer lacohésion du noyau.”

Nuage électronique

Longue distance

Courte distance

Noyau atomique

Représentation du nuage de l’atome de lithium

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> LA LIBÉRATION DE L’ÉNERGIE NUCLÉAIRE 76 > LA LIBÉRATION DE L’ÉNERGIE NUCLÉAIRE

Cette dernière est le carré de la vitesse de lalumière dans le vide (c = 300000 km/s).Dans le cas de notre disparition de masse,l’énergie qui apparaît est donc égale à la pertede masse multipliée par la constante c2.Cette quantité d’énergie sert de ciment pourtenir ensemble les constituants du noyau :on l’appelle pour cette raison l’énergie deliaison. Elle correspond à l’énergie qu’il fautfournir au noyau pour qu’il soit dissocié ennucléons isolés.L’énergie de liaison par nucléon (équivalente àune perte de masse par nucléon) n’est pas iden-tique pour tous les noyaux. Faible pour lesnoyaux légers, elle augmente jusqu’aux noyauxde masse moyenne, se trouvant aux alentoursdu fer 56, et décroît ensuite. Cette évolutionde l’énergie de liaison indique que les atomesles plus liés sont les atomes de masse moyenne.Leur perte de masse est plus grande parnucléon. Donc, toutes les transformations denoyaux tendant à produire des noyaux de massemoyenne vont permettre de libérer de l’énergienucléaire. Ces transformations sont appeléesréactions nucléaires.

“La célèbre formule d’Einstein, E = mc2, exprime l’équivalence entre la masse et l’énergie.”

Du noyau atomique à l’énergie 5 > L’énergie nucléaire : fusion et fissionDu noyau atomique à l’énergie 5 > L’énergie nucléaire : fusion et fission

L’ÉQUIVALENCE ENTRE L’ÉNERGIEET LA MASSEPar des techniques très précises, il est possible de mesurer la masse d’un noyau, celle d’un proton isolé ou d’un neutron isolé.La masse du noyau est inférieure à la sommedes masses de chacun de ses nucléons. Qu’estdevenue la masse man-quante?En fait, cette massene disparaît pas mais setransforme en énergie. La célèbre formuled’Einstein, E = mc2, nous permet de calculercelle-ci. En effet, cette formule associe à uncorps de masse m, une énergie E qui est égaleà sa masse multipliée par une constante c2.

Attraction électrique

Répulsion électrique

Exemple de réaction de fission

Exemple de réaction de fusion

Deutérium

Tritium

Hélium

ÉNERGIE

Neutron libre

LES RÉACTIONS NUCLÉAIRESLIBÉRATRICES D’ÉNERGIEElles sont de deux types :• la fusion de noyaux très légers en un noyaude taille moyenne.Depuis une trentaine d’années, de nombreuxlaboratoires étudient la fusion de deux noyauxlégers comme ceux du deutérium et du tritiumqui sont deux isotopeslourds de l’hydrogène.Ce domaine est encoreau stade de la recher-che et il n’existe pasencore d’applicationsindustrielles de la fusion pour la productiond’électricité.• la fission ou cassure d’un noyau très lourd endeux noyaux de taille moyenne.La réaction de fission est plus simple à réa-liser sur Terre que celle de fusion. Elle consisteà casser des noyaux lourds, comme ceux del’uranium 235 ou du plutonium 239, sousl’effet de l’impact d’un neutron. L’énergie defission libérée est utilisée dans les réacteursnucléaires. Ceux-ci produisent actuellementle sixième de l’électricité consommée dans lemonde, le tiers en Europe et les trois quartsen France.

Le deutérium est très abondant (40 mg par litre d’eau de mer) et assez peu coûteux à isoler. Le tritium, corps radioactif, qui n’existe pas dans la nature, peut être obtenu en bombardant du lithium avec des neutrons.

“L’énergie nucléaire selibère de deux façons :ou le noyau fusionneavec un autre noyau ou il se casse en deux.”

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Cœur de réacteur où se produitla réaction de fission.

Particules (protons ouneutrons) constituant lenoyau d’un atome.

Neutron.

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LA FUSION THERMONUCLÉAIREDANS LES ÉTOILESLa fusion est le mariage de noyaux légers quidonne naissance à des noyaux plus lourdscomme l’hélium, par exemple. Elle s’accompagned’une très forte libération d’énergie.Cette réaction est difficile à réaliser car les forcesnucléaires qui lient les nucléons n’agissent qu’àtrès faible distance alors que la force électriquecrée une barrière répulsive qui empêche lesnoyaux des atomes, qui sont chargés positive-ment, de s’approcher assez près les uns des autres.Pour passer cette barrière, les noyaux doiventse trouver dans un état d’agitation thermiquetrès grand. C’est le cas lorsqu’ils sont portés àtrès haute température.La fusion existe naturellement dans les envi-ronnements extrêmement chauds que sont les

DANS LES ENVIRONNEMENTS EXTRÊMEMENTCHAUDS, CERTAINS NOYAUX FUSIONNENT ETLIBÈRENT UNE FABULEUSE ÉNERGIE.

La fusion thermonucléaire

étoiles, comme le Soleil. Il y a, au cœur duSoleil, une température de l’ordre de plusieursdizaines de millions de degrés qui permet lafusion de noyaux légers comme ceux d’hy-drogène en hélium. Ces réactions de fusionthermonucléaire libèrent beaucoup d’énergieet expliquent la très haute température decet astre qui atteint en surface les 5700 °C.Une très petite partie de l’énergie rayonnéepar le Soleil atteint la Terre et permet la viesur celle-ci.Dans des étoiles plus massives que le Soleil,des températures encore plus hautes per-mettent la fusion de noyaux plus lourds queceux de l’hydrogène. Ces réactions produisent,entre autres, des noyaux de carbone, d’oxy-gène et même de fer au cœur des étoiles lesplus chaudes.

> LA FUSION THERMONUCLÉAIRE

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“Grâce aux températures extrêmes duSoleil ou des étoiles, la fusion naturelle se produit.”

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LA FUSION SUR TERREL’homme cherche à maîtriser les réactions defusion pour récupérer cette fabuleuse énergie.Il a réussi à maîtriser celle-ci dans les bombesnucléaires de type H mais pas encore pour pro-duire de l’électricité. Pour une application civilede la fusion, la réaction la plus étudiée est lafusion de deux noyaux d’isotopes de l’hydro-gène, le deutérium et le tritium qui fusionnentpour créer un noyau plus lourd, celui de l’hé-lium. Pour atteindre des températures très éle-vées et des densités suffisantes de noyaux etpour augmenter la probabilité qu’ils se ren-contrent, l’homme se heurte à de nombreusesdifficultés techniques.

Deux types d’expériences sont étudiés en laboratoire:• à faible concentration, le mélange d’isotopesd’hydrogène gazeux (deutérium et tritium) à fusionner peut être renfermé à l’intérieur de parois immatérielles créées par des champs magnétiques. Les noyaux sont portésà plus de 100 millions de degrés dans desmachines appelées Tokamak ;• à forte concentration,le mélange d’isotopesd’hydrogène à fusionner est contenu dans unemicrobille que l’on irradie très rapidement avecdes faisceaux de lasers très puissants.

> LA FUSION THERMONUCLÉAIRE

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> LA FUSION THERMONUCLÉAIRE 1110

Machine de fusion en formede tore (voir schéma p. 10).

Fusionpar

laser

On envoie des rayons laser de grandeénergie simultanément, pourcomprimer la microbille contenant le mélange à fusionner.

Laser Phébus

Faisceau laser

Microbille remplied’un mélangedeutérium-tritium

“Un défi pour l’homme : parvenir un jour à maîtriser l’énergieexceptionnelle qui se dégage de la fusion.”

Principe d’un TokamakBobines magnétiquestoroïdales

Bobines magnétiquespoloïdales

Bobine magnétique centrale

Plasma

Tore Supra.

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La fission nucléaireet la réaction en chaîne

LA RÉACTION EN CHAÎNELa fission est la rupture d’un gros noyau(noyau d’uranium 235, par exemple) qui, sousl’impact d’un neutron, se scinde en deux noyauxplus petits. La fission s’accompagne d’un granddégagement d’énergie. Simultanément se pro-duit la libération de deux ou trois neutrons.Les neutrons ainsi libérés peuvent provoquer àleur tour la fission d’autres noyaux et la libé-ration d’autres neutrons, et ainsi de suite… Ona une réaction en chaîne puisqu’en induisantune seule fission dans la masse d’uranium, onpeut obtenir si on ne contrôle pas les neutronsau moins 2 fissions, qui vont en provoquer 4,puis 8, puis 16, puis 32…Les deux principales utilisations de la fissionsont les réacteurs nucléaires et les bombes

SOUS L’IMPACT D’UN NEUTRON,CERTAINS NOYAUX SE CASSENT EN DEUX.CETTE “FISSION” SE RÉPÈTE, PRODUISANTUNE RÉACTION EN CHAÎNE.

nucléaires de type A. Dans les réacteurs, la réac-tion en chaîne est stabilisée à un niveau donné,c’est-à-dire qu’une grande partie des neutronsest capturée afin qu’ils ne provoquent pasd’autres fissions. Il suffit seulement qu’un neu-tron, à chaque fission, provoque une nouvellefission pour libérer régulièrement de l’énergie(voir livret Le fonctionnement d’un réacteurnucléaire). Au contraire, pour la bombe, la réaction en chaîne doit être la plus diver-gente possible dans le temps le plus court : onfavorise sa croissance exponentielle et l’onconfine l’énergie le pluslongtemps possible.La réalisation d’unebombe nécessite de grandes connaissancestechnologiques et un matériau fissile très pur.

Déplacements atomiques étudiés par simulation.

“Dans les centrales nucléaires, la réaction en chaîne est stabilisée,dans les bombes atomiques, elle est au contraire amplifiée.”

> LA FISSION NUCLÉAIRE ET LA RÉACTION EN CHAÎNE

Du noyau atomique à l’énergie 5 > L’énergie nucléaire : fusion et fissionDu noyau atomique à l’énergie 5 > L’énergie nucléaire : fusion et fission

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Fonction mathématique dontla croissance est de plus en plus rapide et continue.

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tifs par habitant et par an. Cette quantité est àcomparer aux 2200 kg de déchets ménagerset 800 kg de déchets industriels, par exemple,dont 100 kg sont fortement toxiques. Sur unkilogramme de déchets radioactifs, il faut par-ticulièrement se préoccuper des 10 g de hauteactivité à vie longue. Ainsi, le volume de cesdéchets provenant de la fourniture de l’électri-cité d’une personne pendant les 75 ans de savie est équivalent à celui d’une cannette debière et dix fois supérieur si l’on tient comptedu conditionnement.

La centrale nucléaire de Civaux (Vienne).

> LA FISSION NUCLÉAIRE ET LA RÉACTION EN CHAÎNE

Du noyau atomique à l’énergie 5 > L’énergie nucléaire : fusion et fission

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Du noyau atomique à l’énergie 5 > L’énergie nucléaire : fusion et fission

> LA FISSION NUCLÉAIRE ET LA RÉACTION EN CHAÎNE14

ÉNERGIE NUCLÉAIRE ET ENVIRONNEMENTDans un autre domaine, la fission est large-ment utilisée, dans les réacteurs nucléairespour produire de l’électricité. En France,environ 75 % de notre électricité est produitepar l’énergie nucléaire. C’est une énergie trèsconcentrée puisque 1 g de mat ière fissile permet de produire 24000 kWh, soitl’équivalent de 2 tonnes de pétrole. Pourdonner des ordres de grandeur, un Françaisconsomme en moyenne 4,2 tonnes équiva-lent pétrole (tep) par an, un habitant des États-Unis 8,3 tep et un homme sur la terreconsomme en moyenne 1,4 tep.L’accroissement de l’effet de serre dû aux acti-vités humaines devient une préoccupationimportante car il pourrait conduire à unréchauffement climatique gravement préju-diciable à la planète. L’énergie nucléaire, enfonctionnement, ne produit pas de gaz car-bonique, contrairement au pétrole, au charbonou au gaz. Elle ne contribue pas, comme lesénergies renouvelables, au réchauffement cli-matique. L’Europe qui produit 35 % d’élec-tricité d’origine nucléaire permet d’éviterl’émission de gaz carbonique d’une quantitéégale à celle produite par le parc automobileeuropéen (environ 200 millions de véhicules).Comme toute activité industrielle, le nucléairegénère des déchets, mais en très faible quan-tité. La production de près de 80 % de notreélectricité conduit à 1 kg de déchets radioac-

LA MASSE CRITIQUELes neutrons peuvent être capturés par cer-tains noyaux d’atomes (l’uranium 238 pré-sent dans la masse d’uranium avec l’uranium235, par exemple) ou s’évader sans provo-quer de fission. Pour que la réaction en chaîne s’établisse, il faut donc rassembler en unmême volume une masse suffisante de noyauxfissiles, appelée “masse critique”. Celle-ci est un paramètre important pour uneutilisation militaire de l’énergie nucléaire où,contrairement à son utilisation dans le civil,la réaction en chaîne doit se propager très viteet sans limites.

“En Europe, 35 % de l’électricitéest produite par lenucléaire. En France,la productiond’électricité nucléaireest d’environ 75 %.”

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