l'énergie nucléaire

Introduction :

Les transformations nucléaires dégagent environ un million de fois plus d’énergie que transformation chimiques, d’où leur intérêt.

    1-      Équivalence masse-énergie :

Après Einstein, tout corps, même au repos, possède du seul fait de sa masse une énergie dite de masse E=mc², qui s’ajoute aux formes d’énergie habituelle (énergie cinétique, énergie potentielle…).

La valeur de la constante c, célérité de la lumière, étant très élevée (voisine de  3.10⁸ m.s^-1), une masse minime équivaut à une énergie énorme.

Einstein établit l’équivalence masse-énergie en 1905, mais il allait falloir attendre encore quelques années avant que l’on ne découvre un mécanisme susceptible de faire disparaître de la masse et de la transformer en une autre forme d’énergie. Ce mécanisme allait mettre en jeu les noyaux des atomes.

    2-      Energie d’un noyau :

2-1- le défaut de masse du noyau :

La masse d’un noyau est inférieure à la somme des masses de ses nucléons isolés, la différence constituant ce que l’on appelle de défaut de masse du noyau. Dans le cas d’un noyau de symbole ^A_ZX, de masse m, le défaut de masse Δm s’exprime en fonction des masses du proton (m_p) et du neutron (m_n) par la relation :

Δm= Zm_p + (A-Z) m_n – m

A titre d’exemple, le défaut de masse du noyau d’hélium ⁴₂He est 5,038.10^-19 kg. Cette valeur très faible montre que le kilogramme est une unité de masse peu adaptée à la physique nucléaire et justifie l’utilisation de l’unité de masse atomique (1u= 1,66054.10^-27 kg), d’où une valeur de 3,034 u pour le défaut de masse de m’hélium 4.

2-2- l’énergie de liaison du noyau :

L’existence d’un défaut de masse peut paraître à première vue paradoxale, car en contradiction avec la loi dite de conservation de masse. En réalité, il faut raisonner en équivalence masse-énergie. Pour casser un noyau et le réduire à l’état de nucléons séparés, il faut fournir de l’énergie. L’apport d’énergie se traduit alors par une augmentation de masse. Inversement, lorsqu’un noyau se forme à partir de nucléons séparés, le système cède de l’énergie en perdant de la masse.

On définit l’énergie de liaison d’un noyau comme étant l’énergie qu’il faut fournir à ce noyau (au repos) pour dissocier en nucléons isolés (et immobiles). Elle a pour expression :

E_l = Δm C²

    3-      Stabilité des noyaux :

3-1- l’énergie de liaison moyenne par nucléon :

Pour comparer la stabilité des différents noyaux, on définit l’énergie de liaison moyenne par nucléon :

E_l/A

Plus un noyau est stable, plus il est difficile de le casser et plus il faut fournir d’énergie par nucléon.

L’énergie de liaison par nucléon est de l’ordre de quelque Mev (l’unité la plus adaptée à la physique nucléaire est le mégaélectronvolt 1 Mev = 10⁶ ev = 1,6.10^-13 j). la valeur la plus élevée est celle du fer 56, dont l’énergie de liaison par nucléon est 8,8 Mev et qui est donc particulièrement stable.

3-2- la courbe d’Aston :

Il peut être intéressant de visualiser la courbe donnant l’énergie de liaison par nucléon E_l/A en fonction du nombre de nucléons A. les noyaux les plus stables étant, comme nous venons de le voir, ceux dont le rapport E_l/A est plus élevé, figureraient au sommet de la courbe. Il est plus satisfaisant pour l’esprit d’associer les noyaux les plus stables à des minimums, ce qui fait que l’on a coutume de représenter - E_l/A en fonction de A (fig.1)

3-3- Exploitation de la courbe d’Aston :

Quels sont, au vu de la courbe, les noyaux les moins stables ? Ce sont les noyaux les plus légers et les plus lourds.

Qu’adviendrait-il si l’on faisait fusionner les premiers ou si l’on provoquait la fission des seconds en vue d’obtenir des noyaux moyens plus stables ? en fournissant au départ une énergie égale à la somme des énergies de liaison des noyaux légers ou des noyaux lourds suivant le cas, on libérerait ensuite une énergie plus importante, égale à la somme des énergie de liaison des noyaux moyens formés.

L’énergie récupérée aurait pour expression :

ΔE=∑_{noyaux formés}  E_liaison  -  ∑_{noyaux initiaux} E_liaison

La perte d’énergie lors d’une transformation nucléaire exo énergétique est bien sûr associée à une perte de masse égale à la différence des masses des réactifs et des produits.

ΔE = (∑_réactifs  m - ∑_produits m) C²

   4-      Fission et fusion nucléaires :

4-1- la fission nucléaire :

Certains noyaux lourds comme l’uranium 235 et le plutonium 239 se scindent en noyaux moyens sous l’effet de neutrons lents, appelés neutrons thermiques. Le neutron constitue un projectile car, n’étant par chargé, il peut franchir la barrière électronique de l’atome et provoque la fission du noyau si sa vitesse est adéquate.

Une des réactions possible de fission de l’uranium 235 est la suivante :

₉₂²³⁵U  +  ¹₀n  à  ⁹⁴₃₈ Sr  +  ¹⁴⁰₅₄Xe  +  2 ¹₀n

Les noyaux formés sont souvent radioactifs d’où un problème de gestion et de stockage de ces déchets.

Quant aux neutrons émis, ce sont des neutrons rapides, qu’il est possible de réutiliser afin de produire des réactions en chaîne après les avoir ralentis par des modérateurs tels le graphite ou l’eau lourd.

Dans les centrales nucléaires, les réactions en chaîne sont contrôlées par absorption d’une partie des neutrons émis (en général par des barres de cadmium). Dans le cas contraire, le système diverge et une énergie est libérée énorme est libérée pendant une durée très courte : c’est le principe de la bombe A.

4-2- la fusion nucléaire :

Au cours d’une fusion nucléaire, des noyaux légers s’assemblent pour former un noyau plus lourd. C’est le cas de la réaction de formation de l’hélium à partir d’isotopes de l’hydrogène :

²₁H + ³₁H à ⁴₂He + ¹₀n

Ce type de transformation exige des températures élevées (de l’ordre du million de degrés) et s’effectue naturellement au sein étoiles. L’effondrement gravitationnel de nuage d’hydrogène issus du big bang peut créer des conditions de température qui permettent la fusion de l’hydrogène en hélium, puis la création d’éléments plus lourds, carbone, oxygène… jusqu’au fer. L’énergie libérée est évacuée par rayonnement : l’étoile brille !

Un coup d’œil sur le diagramme d’Aston (fig.1) montre que l’énergie de liaison moyenne par nucléon des noyaux légers est supérieure à celle des noyaux  lourds. La fusion est donc plus «avantageuse » que la fission et une bombe H libérera plus d’énergie qu’une bombe A équivalente. A l’heure actuelle, des recherches sont en cours afin de contrôler la fusion vue de l’utiliser à des fins pacifiques.