L ATOME ÉCOLOGIQUE. Bernard WIESENFELD. 7, avenue du Hoggar Parc d Activités de Courtabœuf, B.P Les Ulis cedex A, France

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2 L ATOME ÉCOLOGIQUE Bernard WIESENFELD 7, avenue du Hoggar Parc d Activités de Courtabœuf, B.P Les Ulis cedex A, France

3 Nota bene Tous les tableaux ou figures reproduits dans cet ouvrage émanent de documents de l'ocde, de l'aiea, d'edf et/ou du CEA. Tous droits réservés. ISBN : Tous droits de traduction, d'adaptation et de reproduction par tous procédés, réservés pour tous pays. La loi du 11 mars 1957 n'autorisant, aux termes des alinéas 2 et 3 de l'article 41, d'une part, que les (1 copies ou reproductions strictement réservées à l'usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective *, et d'autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d'exemple et d'illustration, toute représentation intégrale, ou partielle, faite sans le consentement de l'auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite )) (alinéa ler de l'article 40). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles 425 et suivants du code pénal. O EDP Sciences 1998

4 Avant-propos Le titre de cet ouvrage peut étonner... Mais c est à dessein : je suis persuadé que l énergie nucléaire est un facteur capital du développement harmonieux de notre société, pas seulement en raison de son efficacité qui n est guère à prouver, mais aussi parce qu elle respecte l environnement. Je sais que les détracteurs seront nombreux et il m arrive encore d être étonné par les arguments techniques ou économiques avancés par ceux qui se disent anti-nucléaires... Ce qui n est pas une raison, en tant que citoyen, pour baisser les bras sur le terrain de l information, ou, encore moins, pour s enfermer, au nom de l expertise, dans une superbe condescendante... Cependant, comme le débat médiatique n est pas toujours favorable - loin s en faut - à l expression de points de vue vraiment contradictoires, il m a semblé utile de fixer quelques données par écrit, de tenter de les rendre intelligibles par le plus grand nombre, et de contribuer ainsi à une meilleure compréhension de la problématique. C est donc, à partir d un mouvement d humeur, un livre de vulgarisation destiné, je le souhaite, à favoriser un débat ouvert, rationnel et documenté. Bernard Wiesenfeld janvier 1998

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6 Préface La parution d un livre sur l énergie nucléaire est un évènement trop rare pour qu il passe inaperçu ; l annonce de ce livre attira d autant plus mon attention que l auteur est l un de mes anciens étudiants au D.E.A de physique des réacteurs nucléaires à Saclay. Par sa formation, Bernard Wiesenfeld est donc un spécialiste de ces questions ; l expérience universitaire et professionnelle qu il a accumulée par la suite - au CEA durant sa thèse de doctorat, à Technicatome, à Framatome, puis comme consultant sur les problèmes de faisabilité technique et économique concernant le nucléaire - a élargi son champ de vision par rapport aux équations que je lui ai enseignées! Ce livre en témoigne. En cette fin du XXe siècle, 1 ~ honnête homme )) ne peut plus ignorer les principes des réacteurs nucléaires, les atouts de cette forme d énergie, ni les risques associés : risque d accident de réacteur, risque de dissémination de produits radioactifs, problèmes de conditionnement des déchets - sans parler des risques de prolifération des armes nucléaires. Ce livre développe tous ces thèmes, en particulier l aspect (( sûreté». L auteur les présente clairement, objectivement, sans masquer ses choix personnels, mais sans forcer le lecteur à le suivre dans toutes ses conclusions. On a là un dossier technique complet, bien construit, à la portée du nonspécialiste. Des inquiétudes de plus en plus vives se manifestent aujourd hui dans notre société : gaspillage des richesses que la nature a mises à notre disposition, pollution dramatique de notre environnement. Les choix qui ont été faits devront peut-être être remis en cause : en France, par exemple, le (( tout nucléaire», la construction... puis l abandon de Superphénix, le recyclage du plutonium... Dans quelques années, nos centrales nucléaires existantes arriveront en fin de vie : faudra-t-il privilégier d autres sources d énergies? Mais lesquelles? Préférera-t-on rebâtir des centrales nucléaires? Mais de quel type? Voilà des questions sur lesquelles chacun aura à se déterminer. I1 vaut mieux que cela se fasse sur des arguments rationnels et réfléchis! C est pourquoi il est important que chacun puisse disposer des informations nécessaires. Saluons donc ce livre qui, sans aucun doute, contribuera à cette indispensable information. Paul REUSS Professeur à l Institut national des sciences et techniques nucléaires

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8 SOMMAIRE AVANT-PROPOS PRÉFAC E INTRODUCTION LE XXe SIÈCLE OU L'ÈRE NUCLÉAIRE III V 1 PREMIÈRE PARTIE LE CHOIX D'UNE FILIÈRE Chapitre 1 NOTIONS DE PHYSIQUE DU NEUTRON Structure de la matière Défaut de masse et énergie nucléaire Fission et fusion exothermiques Réactions nucléaires Section efficace et flux neutronique Réaction en chaîne Contre-réactions de réactivité Neutrons retardés Calcul de cœur Masse critique Chapitre 2 CLASSIFICATION DES FILIÈRES Centrale thermique et centrale nucléaire Choix des ingrédients d'un réacteur nucléaire Le parc électronucléaire français Description de la filière REP Description de la filière RBMK Description de la filière RNR Principe du réacteur à neutrons rapides

9 L'ATOMECOLOGIQUE Vlll DEUXIÈME PARTIE SÛRETÉ ET ACCIDENTS NUCLÉAIRES Chapitre 3 NOTIONS DE RADIOACTIVITÉ Particules émises Radioprotection Radioactivité dans le cycle du combustible Le réacteur fossile d'oklo Chapitre 4 CRITÈRES DE SÛRETÉ ET ORGANISATION Approche déterministe Approche probabiliste Accidents complémentaires Sûreté intrinsèque Sécurité nucléaire Organisation de la sécurité nucléaire en France Organisation de la sûreté aux États-Unis Les institutions internationales O Chapitre 5 LA SÛRETÉ DES FILIÈRES NUCLÉAIRES Sûreté du REP Sûreté du RBMK Sûreté du RNR

10 IX SOMMAIRE Chapitre 6 LES ACCIDENTS NUCLÉAIRES Chapitre 7 TMI et son enseignement Tchernobyl et son enseignement L'ÉLIMINATION DES DÉCHETS Classification des déchets radioactifs Les déchets produits par la fission nucléaire dans un REP Déchets à forte activité et à vie longue Le stockage géologique Le démantèlement TROISIÈME PARTIE LES RISQUES DE PROLIFÉRATION NUCLÉAIRE Chapitre 8 L'AFFAIRE TAMMUZ La France et l'irak négocient De Tammuz à la bombe Chapitre 9 LE DÉMANTÈLEMENT DES ARMES NUCLÉAIRES L'option MOX aux États-Unis Avantages de l'option MOX L'élimination du plutonium militaire dans la Fédération de Russie

11 L'ATOMECOLOGIQUE X QUATRIÈME PARTIE APPROCHE POLITICO-ÉCONOMIQUE Chapitre 10 LA PROBLÉMATIQUE NUCLÉAIRE 205 La crise pétrolière de 1973 et ses conséquences Le nucléaire controversé A-t-on encore besoin de l'énergie nucléaire? Superphénix sur la sellette Les réacteurs nucléaires au service de l'environnement Les incidences économiques locales de l'implantation d'une centrale nucléaire L'électronucléaire à l'étranger Quelles sont les chances d'une reprise mondiale? CONCLUSION QUEL AVENIR POUR L'ATOME ÉCOLOGIQUE? 239 ANNEXES AI. Accidents A2. Références A3. Définitions A4. Sigles et symboles

12 Introduction LE XXe SIÈCLE ou L'IRE NUCLÉAIRE La science a fait de nous des dieux avant même que nous méritions d'être des hommes. Jean Rostand

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14 L orsqu'elles évoqueront le XXe siècle, les générations futures le qualifieront sans nul doute d'ère nucléaire. En effet, bien que l'existence de l'atome fût soupçonnée dès l'antiquité, les étapes qui permirent de le mettre en évidence, puis d'exploiter les propriétés énergétiques de son noyau marquent fortement notre siècle : EINSTEIN établit l'équivalence entre la masse et l'énergie. BOHR propose le ler modèle théorique de l'atome. CHADWICK découvre l'existence du neutron. HAHN et STRASSMANN découvrent la fission des atomes lourds. JOLIOT-CURIE démontre la possibilité d'entretenir une réaction en chaîne par la fission de l'uranium. FERMI fait diverger la Ire pile atomique à Chicago. Explosion de la Ire bombe expérimentale à fission (bombe A) à Alamogordo (EU). Ire production d'électricité nucléaire (100 kwe) à Arc0 (EU) Explosion de la Ire bombe expérimentale à fusion (bombe H) à Bikini (EU). Mise en service de G1, la Ire centrale nucléaire française (5 MWe) à Marcoule. Mise en service de PHENIX, ler surgénérateur français (250 MWe) à Marcoule. ler dégagement de puissance (2 MW pendant 2 secondes) par fusion thermonucléaire contrôlée dans le TOKAMAK (( JET f ) de Culham (GB). En cette fin du XXe siècle, l'atome, qui symbolise le (( pire N pour les uns et le (( meilleur )) pour les autres, représente pour tous une réalité incontournable. Côté civil, plus de 400 réacteurs en fonctionnement fournissent 17 % de la production mondiale d'électricité. Deux accidents spectaculaires ont entamé la confiance du public aux alentours des années 80 : Three Mile Island aux États-Unis et Tchernobyl en ex-urss. Durant ces mêmes années, le paysage (*) JET : Joint European Torus

15 L'ATOME ÉCOLOGIQUE 4 économique s'est profondément transformé et la politique nucléaire a dû s'adapter aux changements. Côté militaire, l'homme dispose d'une puissance largement suffisante pour désintégrer la planète. Depuis Hiroshima, le spectre du conflit nucléaire entretient la logique de paix par la terreur au prix d'un contrôle strict de la prolifération de l'arme atomique et de la mise en place, par les pays qui en sont détenteurs, d'une politique de dissuasion. Mais pourrons-nous empêcher éternellement la progression des puissances en voie d'accession à la bombe? L'avenir de l'industrie électronucléaire est tributaire de 2 facteurs principaux qui sont la confiance du public, notamment au niveau de la sûreté nucléaire et du stockage des déchets, et la justification économique. La confiance du public dépend en premier lieu de la qualité de son information. Aussi, l'un des objectifs de cet ouvrage est-il d'informer ou plus exactement de ré-informer sur la problématique nucléaire un public exposé en permanence à un flux d'informations souvent contradictoires. Les thèmes abordés ne sont pas traités exhaustivement mais sont vus à travers l'expérience de l'auteur acquise dans les différentes fonctions qu'il a occupées dans la Recherche et l'industrie nucléaire. L'objectif est donc de dégager l'essentiel à partir d'un témoignage personnel. Le parc mondial des centrales nucléaires est analysé du point de vue de la sûreté et de la rentabilité économique afin de tenter de répondre aux principales interrogations sur l'avenir de l'atome civil : - Y-a-t-il des réacteurs dangereux et d'autres sûrs? - Faut-il poursuivre la filière des réacteurs à neutrons rapides? - Le nucléaire est-il propre? - Quelles sont les solutions acceptables au problème du stockage des déchets? - La société peut-elle se passer de l'industrie électronucléaire? - Doit-on vendre des centrales nucléaires aux pays en voie de développement? Les applications militaires ne sont pas abordées, afin d'éviter une trop grande dispersion, hormis les risques de prolifération nucléaire. L'ouvrage se divise en 4 parties : Ire partie : Le choix d'une filière. 2e partie : Sûreté et accidents nucléaires. 3e partie : Les risques de prolifération nucléaire. 4e partie : Approche politico-économique

16 5 INTRODUCTION Afin de comprendre le fonctionnement d'un réacteur nucléaire, les concepts de sûreté et les analyses d'accidents, il est nécessaire de posséder des connaissances de base en physique nucléaire. Une présentation de physique du neutron ciblant un public large est donc faite au chapitre 1, qui exclut notamment l'usage de formules mathématiques ou de démonstrations compliquées. Les informations données sont suffisantes pour comprendre la suite de l'ouvrage, qui se veut autoportant. Sont définis dans ce chapitre les réactions nucléaires, la réaction en chaîne, le pilotage d'un réacteur, le calcul d'un cœur, la conception d'une bombe atomique... Une classification des principales filières est ensuite donnée (Chap. 2) à partir des caractéristiques des 3 composants principaux du cœur (le combustible, le réfrigérant et le modérateur), puis 3 filières sont détaillées étant donné leur importance dans le débat sur la sûreté, à savoir : + + Le réacteur PWR (ou REP en France). Le réacteur RNR (description de SUPERPHENIX et principe de surgénération). Le réacteur RBMK (réacteur du type TCHERNOBYL). La deuxième partie, qui traite de la sûreté et des analyses d'accidents, est le noyau de l'ouvrage dans la mesure où elle donne les critères de sûreté adoptés pour les principales filières ainsi que les moyens utilisés pour garantir le respect de ces critères. Elle se situe donc au cœur du débat relatif à l'acceptation par le public de la technologie nucléaire. Un chapitre entier est au préalable consacré à la radioactivité (rayonnement, contamination, critères et risques radiologiques), dont la connaissance est nécessaire à la compréhension des risques encourus par l'exploitation des réacteurs nucléaires. I1 se termine par la présentation du réacteur fossile d'oklo (Gabon) qui a fonctionné naturellement il y a près de deux milliards d'années, bien avant l'apparition de l'homme. Les centrales REP exploitées en France relèvent d'une philosophie de sûreté d'origine américaine fondée sur le principe déterministe de (( défense en profondeur )) qui, bien que différent, s'apparente au principe de (( défense par les barrières de confinement )) utilisé à l'origine en France. Les conséquences limitées de l'accident de Three Mile Island (TMI) eu égard à la conjonction malheureuse de défaillances multiples, tant humaines que matérielles, démontrent l'excellente qualité du concept de sûreté américain. I1 n'en va pas de même du réacteur RBMK soviétique...

17 L'ATOME ÉCOLOGIQUE 6 L'approche déterministe permet de prévoir tous les accidents plausibles sans devoir pour autant en connaître avec précision les scénarios. L'approche probabiliste, quant à elle, donne une évaluation quantitative des risques associés à l'exploitation des centrales nucléaires et intervient en complément de l'approche déterministe qui préside à la conception des réacteurs français actuels. Elle permet notamment de déceler d'éventuels points faibles sur des composants importants pour la sûreté, et d'y remédier. C'est en outre cette approche qui permet de comparer les risques engendrés par l'industrie nucléaire avec ceux des autres activités de l'homme ou des catastrophes naturelles. Le chapitre sur les critères de sûreté se termine par la description dun réacteur, développé et commercialisé par un groupe suédois, qui respecte les critères de la sûreté intrinsèque. Selon ce concept, les systèmes qui interviennent pour lutter contre les accidents remplissent leur fonction grâce aux seules lois de la nature... Le chapitre suivant traite de la sûreté des 3 filières REP, RBMK et RNR. Les accidents de TMI et de TCHERNOBYL sont décrits et un point est fait sur l'enseignement par retour d'expérience que les ingénieurs en ont tiré afin d'améliorer la qualité des centrales existantes. Pour terminer cette deuxième partie relative à la sûreté, un chapitre est consacré au stockage des déchets nucléaires. Un point est fait sur les travaux de construction des laboratoires souterrains qui permettront de tester l'aptitude de certaines formations géologiques à confiner la radioactivité sur le très long terme. Le devenir des déchets radioactifs de vie longue est sans doute le problème le plus délicat posé par l'utilisation de l'électricité nucléaire car il doit être traité dans une perspective de plusieurs centaines de milliers d'années pendant lesquelles les substances radioactives que nous léguerons aux civilisations futures devront être entreposées de façon sûre. Les risques de prolifération nucléaire constituent le thème de la 3e partie de l'ouvrage. La frontière entre le nucléaire civil et le nucléaire militaire n'est pas facile à établir. Les cœurs des centrales électronucléaires fabriquent tous du plutonium en fonctionnement, qu'il est théoriquement possible de détourner à des fins militaires. Certaines filières électronucléaires se sont développées pour leur capacité à produire du plutonium de très bonne qualité. C'est le cas

18 7 INTRODUCTION notamment de la filière française à Uranium Naturel-Graphite-Gaz (UNGG) et de la filière soviétique à Uranium Enrichi-Graphite-Eau (RBMK). En outre, certains réacteurs destinés à la Recherche fonctionnent avec un uranium très enrichi et là encore, des détournements militaires sont possibles. La question se pose notamment lors de l'exportation du nucléaire civil vers un pays non-détenteur de l'arme atomique car il n'existe aucun moyen rigoureux de neutraliser le risque de détournement. La vente par la France à l'irak du réacteur Tammuz en est une bonne illu stration. Le cheminement de la négociation entre la France et l'irak est brièvement rappelé, en particulier l'obstination du client à vouloir investir dans une solution (( proliférante )) et son refus de la solution (( Caramel )) proposée par la France. Une description est ensuite faite des 2 réacteurs du contrat, Tammuz 1 et Tammuz 2, et des explications sont données sur la manière de transformer simplement ce type de réacteur pour assurer une production de plutonium de qualité militaire suffisante à la confection d'une bombe atomique par an. Un paragraphe est consacré aux contrôles de l'agence internationale de l'énergie atomique (AIEA) où ses forces et ses faiblesses sont mises en balance. La dernière partie de l'ouvrage propose une approche politicoéconomique en partant de la première crise pétrolière de Vingt ans après, les données économiques ont changé et la problématique nucléaire doit être repensée. I1 n'y a pas de menace immédiate de pénurie d'uranium et la faible croissance des besoins en énergie atténue l'intérêt du plutonium. Dans ce contexte, la filière à neutrons rapides a-t-elle encore sa place? Un point est également fait sur l'électronucléaire à l'étranger, notamment aux États-Unis et au Japon, afin de situer la France dans son environnement concurrentiel. Enfin, la conclusion de l'ouvrage situe, à la lumière de l'information acquise dans le corps de l'ouvrage, l'industrie nucléaire par rapport aux lois de l'écologie que toute société dite civilisée devrait, selon l'auteur, s'efforcer de respecter.

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20 Première partie LE CHOIX D'UNE FlLlËRE Un monde plus profond que l'astre, c'est l'atome. Victor Hugo

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22 NOTIONS DE PHYSIQUE DU NEUTRON a physique nucléaire est généralement considérée comme un L domaine théorique très fermé et réservé à la communauté limitée des seuls spécialistes. I1 est possible, en réalité, d'en donner une lecture simplifiée mais fidèle, afin de dégager les grands principes. C'est ce qui va être tenté ici. La physique du neutron ou neutronique, est une partie de la physique nucléaire qui traite des interactions des neutrons avec l'environnement du cœur d'un réacteur nucléaire [ 1, 21. L'objectif du présent chapitre est de fournir au lecteur les informations nécessaires et suffisantes sur la neutronique pour lui permettre d'aborder sans difficulté l'ensemble de l'ouvrage, notamment les chapitres qui traitent de la sûreté des réacteurs et de l'analyse des accidents. STRUCTURE DE LA MATIÈRE La matière est constituée de molécules et la molécule, d'atomes. L'atome, quant à lui, est formé d'un noyau autour duquel gravitent des électrons. Le noyau se décompose en nucléons et le nucléon en quarks. Électron Neutron (n) Quark down (d) MATIÈRE MOLÉCULE ATOME NOYAU NUCLÉON QUARK Figure 1.1. Structure de la matière.

23 L'ATOME ÉCOLOGIQUE 12 Le proton, formé de deux quarks u et d'un quark d (p = uud), a une charge électrique égale à 1. Le neutron, formé de deux quarks d et d'un quark u (n = ddu), a une charge électrique égale à O. I1 est donc insensible au champ électromagnétique. Les entités les plus simples de la matière, appelées particules élémentaires, sont le quark u, le quark d et l'électron (voir Fig. 1.1) auquel il faut ajouter son partenaire de charge nulle, le neutrino électronique ~ ~(1). Ainsi, toute la matière de l'univers (galaxies, planètes, animaux, plantes,,..) est constituée de quarks, d'électrons et de neutrinos. Par ailleurs, à chaque particule élémentaire correspond son - antiparticule. Les antiparticules Ü, d, e+ et Ve sont les constituants élémentaires de l'antimatière. DÉFAUT DE MASSE ET ÉNERGIE NUCLÉAIRE Le noyau est constitué de neutrons approximativement la même masse. On le chimique X affecté de deux indices A et 2 : masse, représente le nombre de nucléons appelé numéro atomique, représente le détermine la nature chimique de l'élément. et de protons ayant désigne par un symbole ZX. A, appelé nombre de (neutrons + protons). 2, nombre de protons et Deux noyaux ayant le méme numéro atomique (donc le même symbole chimique) mais des nombres de masse différents sont appelés isotopes. Par exemple, 2i;U et ';U sont 2 isotopes de l'uranium. ih (deutérium) et ;H (tritium) sont 2 isotopes de l'hydrogène. Les mesures effectuées sur les masses atomiques ont révélé, contre toute attente, que la masse d'un noyau était inférieure à la masse des nucléons qui le constituent. La différence entre ces deux masses s'appelle le défaut de masse AM. (1) I1 existe d'autres particules élémentaires que celles données ci-dessus. Cependant, elles sont instables et par conséquent ne se rencontrent pas dans la nature. En revanche, elles sont apparues dans la chaleur originelle du Big Bang et sont aujourd'hui créées artificiellement par l'homme dans les accélérateurs de particules.

24 13 NOTIONS DE PHYSIQUE DU NEUTRON En vertu de la célèbre formule AE = AM C2 d'équivalence entre la masse et l'énergie, établie par Einstein en 1905, le défaut de masse AM a son équivalent énergétique, appelé énergie de liaison AE responsable de la cohésion du noyau. C représente la vitesse de la lumière (c = m/s). AM: Défaut de masse Figure 1.2. Énergie de liaison dans l'hélium. Remarque : L'énergie nucléaire, liant les nucléons dans le noyau, trouve son origine profonde dans l'existence d'une force d'interaction entre quarks appelée ({ gluon». Son étude relève du domaine de la physique des particules élémentaires (ou physique des hautes énergies) que nous n'aborderons pas ici. En effet, les énergies mises en jeu dans les réacteurs nucléaires sont suffisantes pour (( casser )) le noyau de l'atome (ordre de grandeur du MeV(2)) mais trop faibles pour (( casser H le nucléon afin de mettre en évidence le quark. Pour y parvenir, l'homme a construit des accélérateurs de particules où sont provoquées des collisions de nucléons à des énergies supérieures au GeV(2). physiciens ont mesuré l'énergie moyenne de liaison par nucléon AE/A pour l'ensemble des noyaux et ont abouti aux résultats consignés sur la figure 1.3. (2) ev = électron-volt. 1 ev = unité d'énergie égaie à l'énergie acquise par un électron subissant une variation de potentiel de 1 volt. 1 ev = 1,6 101gjoules. 1 MeV = 1 méga électron-volt (1 million d'électrons-volts). 1 GeV = 1 giga électron-volt (1 milliard d'électrons-volts). 1 TeV = 1 téra électron-volt (mille milliards d'électrons-volts).

25 L'ATOM ECOLOGIQUE 14 M A (MeV) Fusion : Fission p A Noyaux légers Noyaux lourds Figure 1.3. Énergie de liaison. On constate à l'observation de cette figure qu'il y a augmentation du défaut de masse (c'est-à-dire dégagement d'énergie) lors de la fission (cassure) dun noyau lourd ou bien lors de la fusion (assemblage) de deux noyaux légers. Ces réactions sont dites exothermiques. Inversement, la fission d'un noyau léger et la fusion d'un noyau lourd requièrent de l'énergie : ces réactions sont dites endothermiques. FISSION ET FUSION EXOTHERMIQUES Dans les réactions de fission d'un noyau lourd ou de fusion d'un noyau léger, une partie de la masse s'est transformée en énergie : c'est le principe de production d'énergie nucléaire, soit par fission des noyaux d'uranium ou de plutonium dans une centrale nucléaire en fonctionnement ou dans l'explosion d'une bombe A, soit par fusion des noyaux de deutérium et de tritium dans un réacteur à fusion contrôlée ou dans l'explosion d'une bombe H. Ou encore, en notation symbolique : Fusion deutérium-tritium ; ;H+f H -+; He+; n+17,6 MeV.

26 15 NOTIONS DE PHYSIQUE DU NEUTRON Fission de l'uranium 235 : :;5U +O n -+38 Sr +::O Xe + 2;n MeV. Fusion deutérium-tritium LZE = 17,6 MeV Q Neutron O Pioton Fission de î'uranium wu 94 14,Sr,Xe AE=UW)MeV 0 Neutron 0 hton Figure 1.4. Fusion deutérium-tritium et fission de l'uranium 235. Remarque : La fission d'un noyau donne toujours 2 fragments. Les noyaux Sr (strontium) et Xe (xenon) pris dans l'exemple ci-dessus sont des fragments de fission, mais il en existe beaucoup d'autres (voir Chap. 3) qui peuvent être produits par la fission avec une probabilité qui leur est propre. Pour réaliser la réaction de fusion de 2 noyaux, qui ont tous deux une charge positive, il faut vaincre la barrière de répulsion électromagnétique afin de les rapprocher suffisamment l'un de l'autre. Une solution consiste à détruire la structure de l'atome en créant un nouvel état de la matière, appelé plasma, par augmentation de la température du milieu au-delà de cent millions de degrés. Ce quatrième état, après les états solide, liquide et gazeux, est constitué

27 L'ATOME ÉCOLOGIQUE 16 d'électrons libres (les nuages électroniques ont été détruits par l'agitation thermique) et de noyaux qui, animés de très grandes vitesses, peuvent fusionner par collision (Fig. 1.5). À ce jour, la fusion contrôlée n'est pas maîtrisée et il est encore nécessaire de résoudre des problèmes technologiques complexes avant d'atteindre le stade du prototype industriel, qui n'est pas attendu avant plusieurs décennies. Noyau Électron Figure 1.5. Gaz et plasma. À l'inverse, la réaction de fission contrôlée est relativement facile à réaliser par bombardement neutronique d'un noyau fissile car le neutron, électriquement neutre, n'est pas dévié sur sa trajectoire par le nuage électronique (chargé négativement) qui entoure le noyau ou par le noyau cible lui-même (chargé positivement). C'est ce procédé qui est utilisé dans le cœur d'un réacteur nucléaire pour produire de l'énergie. RÉACTIONS NUCLÉAIRES Toutes les interactions entre le neutron incident et le noyau cible ne provoquent pas la fission. Les principales réactions que l'on rencontre dans les cœurs de réacteurs nucléaires sont la diffusion élastique et inélastique, la capture radiative et la fission.

28 17 NOTIONS DE PHYSIQUE DU NEUTRON La diffusion élastique (n, n) Le neutron rebondit sur le noyau cible, supposé lourd, en conservant son énergie cinétique. n : Neutron Figure 1.6. Diffusion élastique. Par ailleurs, le choc de deux billes de billard est na ttre exemple de diffusion élastique (voir Chap. 2 (( Choix du modérateur.). La diffusion inélastique (n, n') Le neutron est absorbé par le noyau qui s'excite (2), puis est éjecté en perdant la partie de son énergie qui a servi à exciter le noyau (3). n : neutron d'énergie E n' : neutron d'énergie Ed: Figure 1.7. Diffusion inélastique. La capture radiative (n, y) Le neutron est absorbé par le noyau qui, excité (2), se désintègre (3) en émettant des photons(3) : (3) La désintégration radioactive est traitée au chapitre 3.

29 L'ATOME ÉCOLOGIQUE 18 3 n w Y O O O n : Neutron y : Rayonnement électromagnétique Figure 1.8. Capture radiative. S ~ Z E La fission (n, 9 Le neutron est absorbé par le noyau cible qui s'excite (2) puis se casse en 2 fragments (appelés produits de fission) de masses voisines avec émission de neutrons prompts (3). Les produits de fission fortement excités se désintègrent par rayonnement y puis par désintégration p- suivie, parfois, d'une émission de neutrons dits (( retardés )) (4). On distingue donc 2 catégories de neutrons émis lors de la fission : + + Les neutrons prompts, émis instantanément au moment de la fission. Les neutrons retardés, émis par les noyaux excités formés au cours de la désintégration p- des produits de fission. L'émission de neutrons elle-même est instantanée de sorte que le retard observé par rapport à l'émission des neutrons prompts correspond, en fait, à l'émission p- antérieure. La proportion de neutrons retardés par rapport aux neutrons prompts est très faible (de l'ordre de 1 YO). Néanmoins, nous verrons au paragraphe (( Neutrons retardés )) que leur rôle est déterminant dans le contrôle d'un réacteur nucléaire. L'énergie totale libérée par la fission se retrouve sous forme d'énergie cinétique dans les produits de fission, les neutrons, les rayonnements p et y, et l'antineutrino. Le tableau 1 donne le détail de l'énergie moyenne libérée dans la fission de l'uranium 235.

30 19 NOTIONS DE PHYSIQUE DU NEUTRON 3 n PF : produit de fission n ' neutron np : neuron prompt (~r : neutron retardé a YP : Y prompt y : y radioactif np électron O % 6: F Figure 1.9. Fission. Tableau 1.1. Énergie libérée dans la fission de l'uranium 235. I Exemple de fission de l'uranium 235 Énergie cinétique des produits de fission (A = 95 et 140) Énergie cinétique des neutrons prompts et retardés (2-3 neutrons) I MeV I I 5 1 I Rayonnement y prompts (5 rayons) I 6 1 I Rayonnement (7 rayons) I 8 1 I Antineutrino I 12 I Rayonnement radioactif y I 6 1 I Énergie totale libérée I202 Cette énergie, instantanément convertie en chaleur, est évacuée à l'extérieur du cœur par le réfrigérant (ou fluide caloporteur). Elle est égale à environ 200 MeV pour la fission d'un noyau d'uranium 235.

31 L'ATOME ÉCOLOGIQUE 20 Remarque: À partir de l'énergie dégagée dans une fission nucléaire, on calcule que la fission complète d'un gramme d'uranium 235 dégage une énergie d'environ 1 MWj (un Mégawatt x jour) soit l'équivalent de la chaleur dégagée par 10 O00 ampoules électriques de 100 watts pendant une journée! Le plutonium 239, autre noyau fissile, possède une capacité énergétique encore plus importante que l'uranium 235. On démontre en effet qu'un gramme de plutonium 239 équivaut énergétiquement à une tonne de pétrole. Finalement, la France a réussi, grâce à son programme nucléaire, à se doter d'un gisement virtuel qui fournirait annuellement environ 80 millions de tonnes d'un pétrole imaginaire à notre économie. Le passage au surgénérateur consommateur de plutonium rendrait ce gisement inépuisable. La fission a un double effet sur l'environnement : + elle dégage de la chaleur ; + elle produit des substances radioactives. C'est l'objet de la Sûreté des installations nucléaires (voir Chap. 4) que de maîtriser en toute circonstance ces deux effets, d'une part en assurant l'évacuation de la chaleur du cœur du réacteur et d'autre part en garantissant le confinement des substances radioactives créées par la fission. Certaines de ces substances ont une durée de vie très longue et continuent de produire de la chaleur après l'arrêt du réacteur. C'est la chaleur résiduelle (voir Chap. 3, (< Notions de radioactivité.). Certains noyaux peuvent fissionner quelle que soit l'énergie du neutron incident. Ces noyaux sont dits (( fissiles». Citons pour exemples l'uranium 235 et le plutonium 239. D'autres noyaux requièrent une énergie minimale du neutron incident pour fissionner. On parle alors de réactions de fission à seuil (d'énergie). C'est le cas de l'uranium 238 ou du plutonium 240. La figure 1.1 O décrit de façon simplifiée le processus de fission. Le noyau susceptible de fissionner est prisonnier dans un N puits )) de potentiel et il lui faut un apport d'énergie minimum (énergie d'excitation E...) pour surmonter la (( barrière >) de fission (énergie Eba). Or, dans un noyau fissile comme l'uranium 235, l'énergie d'excitation (Eexc = 6 MeV) est fournie par l'énergie de liaison du neutron absorbé (7 MeV). La fission peut donc se faire même avec des neutrons ayant de très faibles vitesses (neutrons dits (( thermiques N, par opposition aux neutrons animés de grandes vitesses, dits (( rapides N).