Radioactivité et chimie nucléaire

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1 Radioactivité et chimie nucléaire ) Rappels sur la structure de l atome et du noyau D après le modèle lacunaire de Rutherford, l atome se subdivise en deux parties : - le noyau : minuscule grain de matière situé au centre de l atome, il renferme la presque-totalité de la masse de l atome - le cortège électronique : entourant le noyau à grande distance, il détermine le volume de l atome La structure du cortège électronique détermine le comportement chimique des atomes ; la radioactivité par contre étudie l ensemble des phénomènes en rapport avec des transformations portant sur le noyau atomique. Lord Ernest Rutherford prix Nobel 98 a) structure du noyau Le noyau est constitué de protons et de neutrons (nucléons). Les protons sont responsables de la charge positive du noyau. Vu la répulsion entre particules de même charge, un noyau formé exclusivement par une association de protons n est pas stable. Pour cette raison, l existence dans le noyau de particules neutres a été envisagé d abord hypothétiquement. Cette particule neutre (neutron) a été mise en évidence expérimentalement en 93 par Sir James Chadwick (physicien anglais, 89-97, prix Nobel 935). Caractéristiques des nucléons proton : masse =,676-7 kg =,7 u.m.a. (836 fois la masse de l électron) charge = +,6-9 C (coulomb) neutron : masse =,678-7 kg =,87 u.m.a. (comparable à celle du proton) charge : nulle Les masses indiquées sont celles des particules libres, non engagées dans le noyau. b) nucléides On appelle nucléide une réalisation déterminée de noyau, formée par l association d un nombre caractéristique de protons et de neutrons. A X Z c) isotopes Le nombre de protons indique l appartenance d un atome à un élément déterminé. Il est indiqué par le numéro atomique Z. Le nombre total de nucléons (protons + neutrons) est indiqué par le nombre de masse A. Il correspond à la masse atomique arrondie (en u.m.a.) Le nombre de neutrons vaut donc A Z. L existence des isotopes fut découverte en 9 par Frederick Soddy. La plupart des éléments comportent plusieurs nucléides qui diffèrent, dans des limites assez étroites, par leur nombre de neutrons et donc par leur masse. On appelle isotopes (du grec : isos = même et topos = lieu) tous ces nucléides ayant le même nombre de protons (et qui rangent donc dans la même case du tableau périodique). u.m.a. (unite de masse atomique) ou dalton = g / 6 3 =,667-7 kg Sir Frederick Soddy prix Nobel 9

2 On connaît environ nucléides pour la centaine d éléments du tableau périodique ; 35 existent dans la nature (isotopes naturels), les autres sont synthétisés au laboratoire (isotopes artificiels) et sont tous instables. Il y a éléments formés d un seul nucléide naturel (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, Rh, I, Cs, Pr, Tb, Ho, Tm, Ta, Au). La majorité des éléments sont formés d un mélange d isotopes de fréquence fixe. L étain compte le plus grand nombre d isotopes naturels (). Pour les éléments formés de plusieurs isotopes, souvent un isotope prédomine considérablement sur tous les autres pour ce qui est de sa fréquence : ainsi s explique que la mase atomique de beaucoup d éléments est proche d une valeur entière qui est le nombre de masse de l isotope le plus fréquent. Seuls les isotopes de l hydrogène ont reçu des noms et des symboles spécifiques : H = hydrogène «léger» (99,985 %) D = hydrogène «lourd», deutérium (,5 %) 3 T = tritium, isotope artificiel et instable, se forme pourtant par traces par l action de radiations solaires sur les isotopes naturels de H. proton neutron électron Les isotopes d un élément donné présentent de légères différences dans leur comportement physique et physico-chimique, différences d autant plus insignifiantes que la différence relative de leurs masses est plus petite. C est grâce à ces différences que les isotopes d un élément peuvent être séparés. ) La stabilité du noyau atomique Comment l association des protons et des neutrons peut-elle conduire à un noyau stable? a) le défaut de masse D après la théorie de la relativité restreinte d Einstein, il y a équivalence entre énergie et masse ; on entend par là que la masse peut être transformée en énergie et inversement. La formule d interconversion s écrit : E = m c E = énergie (en joule) m = masse (en kilogrammes) c = vitesse de la lumière = 3 8 m/s Albert Einstein prix Nobel 9 Considérons un noyau d hélium formé par l association de protons et neutrons : masse des protons isolés :,7 =,8 u.m.a. masse des neutrons isolés :,86 =,7 u.m.a. somme des masses des particules isolées :,3 u.m.a. masse réelle du noyau d hélium :, u.m.a. Par rapport aux particules qui le constituent, le noyau d hélium présente donc un défaut de masse de,3, =,3 a.m.u. Pour une mole de noyaux d hélium formés à partir des particules constitutives, le défaut de masse vaut,3 g ou,3-3 kg. Cette masse annihilée correspond à l énergie libérée au moment où les particules élémentaires s associent en noyaux : E =,3-3 (3 8 ) =,7 J/mol de noyaux He

3 Inversement, pour dissocier les noyaux d une mole ( g) d hélium et en séparer les protons et neutrons, il faudrait fournir cette énorme quantité d énergie (l équivalent de l énergie libérée lors de la combustion de 9 tonnes de charbon!) C est dire à quel point protons et neutrons sont solidement reliés dans le noyau, donc à quel point le défaut de masse assure la stabilité du noyau. Remarque : Lors de l étude de la structure fine de la matière (passage aux quarks), nous allons voir une autre interprétation de la stabilité du noyau. b) BEPN : binding energy per nucleon L énergie libérée lors de la formation du noyau depend évidemment du nombre de nucléons associés. Afin de pouvoir comparer la stabilité des différents nucléides, on rapporte dans chaque cas l énergie libérée à un seul nucléon. exemple de calcul pour He :,7 énergie libérée par noyau : 3 6,5 BEPN = =, J =,5 J Comparaison de la stabilité des nucléides : BEPN en fonction du nombre de masse La courbe présente un pic marqué pour He ; à partir de Li, la stabilité augmente rapidement avec le nombre de masse ; la courbe affiche la valeur la plus élevée pour le fer, puis la stabilté diminue progressivement pour les nucléides lourds. Puisqu un nucléide est d autant plus stable que davantage d énergie a été libérée au cours de sa formation, le diagramme fait apparaître 3 processus de stabilisation : - la décomposition radioactive qui consiste en une stabilisation par étapes - la fission nucléaire qui consiste en la séparation d un noyau lourd en noyaux plus légers - la fusion nucléaire qui consiste en la réunion de noyaux légers Remarque : en atomistique, les énergies sont souvent exprimées en électron-volt (ev). L électron-volt est l énergie qui correspond à l accélération d un électron (charge absolue =,6-9 C) dans un champ électrique de volt : ev =,6-9 C x V =,6-9 J inversement: J = ev /,6-9 = 6,5 8 ev 3

4 3) La radioactivité naturelle a) préliminaires Les alchimistes s épuisaient en vains efforts pour transformer les métaux vils en or. Avec l avènement de la chimie moderne, la nature des éléments chimiques fut considérée comme immuable. Dans cette optique, la chimie se définit comme étant la science qui transforme les molécules en réarrangeant les atomes, sans toutefois modifier la structure du noyau atomique. Depuis la découverte de la radioactivité, on sait que les transformations portant sur le noyau, donc sur la nature des éléments, sont possibles. Ces transformations sont liées à l émission de radiations. C est le domaine de la transmutation radioactive. b) historique 896 Henri Becquerel découvre la radioactivité naturelle ; il observe que les minerais d uranium émettent un rayonnement capable de noircir les plaques photographiques Photo : Henri Becquerel, physicien français, prix Nobel de physique en 93) 898 Pierre et Marie Curie Sklodowska isolent à partir de la pechblende (un minerai d uranium) deux éléments hautement radioactifs : le radium (Ra) et le polonium (Po) Photos : Pierre Curie, physicien français, prix Nobel de physique en 93 Marie Curie, d origine polonaise, prix Nobel de physique en 93 prix Nobel de chimie en Ernest Rutherford découvre les rayonnements α et β 9 Ernest Rutherford et Frederick Soddy découvrent que la décomposition radioactive transforme un élément chimique en un autre (transmutation) 93 Ernest Rutherford découvre les rayons γ 9 Frederick Soddy découvre l existence des isotopes c) les 3 types de radiations Si on fait passer dans le vide un faisceau de radiations émis par une source radioactive par le champ électrique existant entre plaques métalliques chargées respectivement + et -, le noircissement d une plaque photographique placée sur la trajectoire des radiations révèle 3 points d impact. On en conclut que : - les rayons α, attirés par la plaque chargée -, sont constitués de particules porteuses de charges positives - les rayons β, attirés par la plaque chargée +, sont constitués de particules chargées - α - les rayons γ, non déviés, ne sont pas constitués de particules chargées bloc en plomb avec source radioactive plaques chargées β γ plaque photographique

5 d) propriétés des radiations Les deux propriétés principales sont : - le pouvoir de pénétration de la matière : les radiations ont une tendance plus ou moins grande à traverser les obstacles placés sur leur chemin - le pouvoir ionisant : la matière traversée est plus ou moins fortement ionisée le long de la trajectoire des radiations : sous l impact des collisions, certains atomes perdent des électrons et se transforment en cations ; les électrons arrachés sont captés par d autres atomes qui deviennent anions. Grâce à leur pouvoir ionisant, les radiations rendent les gaz conducteurs de l électricité. Ainsi un électroscope chargé, exposé à une source radioactive, se décharge. trajectoire sel d'uranium électroscope chargé rayons α rayons β rayons γ les charges s'écoulent vers la Terre Terre pouvoir de pénétration très faible les rayons α sont arrêtés par une dizaine de centimètres d air ou par une mince feuille de papier assez grand les rayons β peuvent traverser une plaque en aluminium d une épaisseur de l ordre du centimètre très grand les rayons γ peuvent traverser un blindage en plomb épais de centimètres pouvoir ionisant très élevé nettement inférieur à celui des rayons α faible par rapport à celui des rayons α e) nature et origine des rayons α, β et γ rayons α rayons β rayons γ nature noyaux d hélium He vitesse jusqu à km/s électrons e vitesse jusqu à 9 km/s ondes électromagnétiques de très petite longueur d onde origine principe : exemple : expulsion de He (formé de décomposition d un neutron protons et neutrons) en proton et électron n p + e - A X Z 6 Ra 88 A - Z - Y + Rn + 86 He He A X Z 8 Ra 88 A Z + Y + 8 Ac + 89 e - e - suite à une décomposition α ou β, un noyau excité se stabilise par émission d un photon γ A X* Z A Z X + h ν 37 Ba* 37 Ba + h ν

6 f) visualisation des trajectoires des particules ionisantes Le dispositif dit «chambre de Wilson» fut mis au point par le physicien écossais Wilson en 9. La chambre raccordée à un cylindre à piston est saturée en vapeur d eau et d alcool. En tirant brusquement sur le piston mobile du cylindre, on provoque une chute brutale de la température qui induit la condensation des vapeurs. Les ions formés le long des trajectoires des particules ionisantes servent de grains de condensation aux vapeurs : des traînées de brouillard apparaissent le long des trajectoires des particules émises par la source radioactive. Charles Wilson prix Nobel en 97 source Les radiations ionisantes se laissent encore visualiser : - à l aide de la chambre à bulle (95, D. Glaser). Cette chambre renferme un liquide (p. ex. dihydrogène liquide) à une température juste inférieure à la température d ébullition. Au moment du passage des radiations, une courte diminution de pression réduit momentanément la température d ébullition : les bulles apparaissent de préférence aux endroits où se trouvent les ions produits par le passage des particules - à l aide d émulsions photographiques épaisses : les trajectoires des radiations sont révélées par le noircissement de sels d argent g) comptage des particules ionisantes L appareil dit «compteur Geiger» fut inventé en 95 par le physicien allemand Geiger. Le détecteur est constitué par un cylindre métallique ayant en son axe une tige métallique isolée par rapport au cylindre. La tige (anode) est portée à travers une résistance électrique à un potentiel positif d environ 5 V par rapport au cylindre (cathode). Lorsqu une radiation ionisante traverse le tube, elle ionise le gaz de remplissage du tube. Les anions sont attirés par la tige et entraînent une chute temporaire du potentiel. Ces pics de dépolarisation sont enregistrés par un compteur électronique raccordé au détecteur. Hans Geiger potentiel 5 V ionisation par une radiation recombinaison des ions 5 V + 5 V + 5 V + pic de dépolarisation h) décomposition radioactive en fonction du temps ; la période d un radionucléide L intensité des radiations émises par un échantillon constitué d un type déterminé de radionucléide diminue au cours du temps, puisque chaque émission de radiation provient de la désintégration d un noyau. 6

7 La vitesse de décomposition suit le principe fondamental : Le nombre de désintégrations par unité de temps est à tout moment proportionnel au nombre de noyaux instables présent dans l échantillon du radio-nucléide. noyaux instables N période = intervalle de temps pendant lequel la radioactivité de l échantillon d un radio-nucléide diminue de moitié N / période = intervalle de temps pendant lequel la moitié des noyaux instables de l échantillon d un radio-nucléide se désintègre N / N /8 N /6 T T 3T T période période période période temps La valeur de la période est une grandeur caractéristique et non influençable de chaque type de radio-nucléide. Selon le type de radio-nucléide considéré, elle se situe entre plusieurs milliards d années et des fractions de seconde. i) séries de décompositions radioactives Les nouveaux nucléides issus de la désintégration d un radio-nucléide lourd sont instables à leur tours. Ils continuent à se désintégrer en des radio-nucléides de moins en moins lourds jusqu à ce que, à la fin d une longue série de transmutations, apparaisse un nucléide stable, non radioactif (généralement un isotope du plomb). * Au cours d une décomposition α, un noyau perd protons du fait de l émission de la particule α ( He ) : il en résulte que le noyau recule de cases dans le tableau périodique ( de Z à Z-). Au cours d une décomposition β, le noyau gagne un proton du fait de la transformation d un neutre en proton (reste dans le noyau) et électron (émis comme radiation β ( e )). Il s en suit que le noyau avance d une case dans le tableau périodique (de Z à Z+). Une décomposition α suivie de deux décompositions β transforment un nucléide en isotope d une masse atomique inférieure de unités. * Une décomposition α fait chuter le nombre de masse d un noyau de unités, alors qu une décomposition β n affecte pas le nombre de masse. Il en résulte que, d après les masses des nucléides qui y interviennent, il faut distinguer les séries de décompositions radioactives n, n+, n+ et n+3. 7

8 A ,5. 9 a U U,7. 5 a Pa Th, m', j Th 8. a Ra 6 a série de l'uranium n + Z A décomposition: α β Rn 3,8 j Po 3, m' 8 a = ans j = jours période: m' = minutes s = secondes Po,5. - s Po 38, j Bi Pb 9,7 m' 6,8 m' Bi Pb 5 j a 6 Pb stable Tl, m' Z 6 ) Radioactivité artificielle En 93, le couple de savants Joliot Curie découvrent que l aluminium, soumis au bombardement de rayons α, se transforme en un isotope radioactif du phosphore. photos : Frédéric Joliot (9-958) et Irène Curie ( ) prix Nobel de chimie en 935 Une plaque en aluminium soumise au bombardement de particules α émet des neutrons ( n) et des positrons ( +e ) pendant le bombardement 7 Al + 3 He 3 P + 5 n particule alpha neutron positron et continue à émettre un rayonnement de positrons après suppression de la source de rayons α : 3 3 P Si + e 5 + 8

9 En bombardant des noyaux-cibles judicieusement choisis avec des noyaux-projectiles appropriés, on synthétise des isotopes radioactifs des éléments les plus importants. Ces isotopes radioactifs servent de traceurs et marqueurs en médecine et dans la recherche scientifique. exemple : synthèse du radio-fluor 8 F par bombardement de 8 O avec un faisceau de protons le radio-fluor se désintègre avec émission de positrons ( ) : + e Le radio-fluor sert en tomographie par émission de positrons (PET), un puissant outil diagnostique qui permet d explorer le métabolisme d un organe. photo : image du cerveau en tomographie par émission de positrons. L intensité des radiations émises permet d apprécier l état d activité des différentes régions du cerveau. + p 8 F + n 9 Pour produire les faisceaux de noyaux-projectiles, on se sert d accélérateurs de particules, notamment du cyclotron inventé en 99 par le physicien américain Ernest Orlando Lawrence (9-958, prix Nobel de physique en 939). Le cyclotron comporte deux électrodes creuses semi-circulaires, appelées dés (dees en anglais) placées dans un champ magnétique perpendiculaire (flèches rouges) qui force un faisceau de particules Ernest Lawrence chargées sur une orbite circulaire. Les électrodes sont reliées à une source de courant alternatif de fréquence telle qu un paquet de particules chargées est accéléré (flèche jaune dans les représentations ci-dessous) chaque fois que les particules passent d un dé dans l autre. 3 8 O 8 8 F 8O + e _ _ _ 5 6 _ _ _ 9

10 5) Fission nucléaire En 938, Otto Hahn, Liese Meitner et Fritz Stassmann découvrent que le bombardement de l uranium avec des neutrons peut induire la fission (rupture) du noyau d uranium en deux noyaux plus légers, comme par exemple le baryum (Ba) et le krypton (Kr). En 939, Frédéric Joliot démontre que cette fission du noyau d uranium s accompagne de la libération de ou 3 neutrons. Otto Hahn prix Nobel 9 Liese Meitner Fritz Strassmann Ba 9U instable 36Kr Comme les neutrons libérés peuvent induire la fission d autres noyaux d uranium, il en résulte que la fission de l uranium peut conduire à une réaction en chaîne. Puisque les produits de la fission ont une masse légèrement inférieure à celle du noyau initial, la fission s accompagne d un défaut de masse qui, en vertu de la relation d Einstein E = mc, est transformé en énergie. L uranium naturel est constitué d un mélange formé essentiellement des isotopes suivants: 38 (99,7 %), non fissile. (Par bombardement avec des neutrons rapides, il peut se transformer en U 9 39 Pu 9 35 U 9 (,7 %), fissile, un isotope fissile de l élément plutonium) l enrichissement de l uranium naturel 38 Comme l uranium naturel ne renferme que,7 % de l isotope fissile U 9, il doit être soumis à un procédé de séparation des isotopes dans le but d obtenir un mélange plus riche en l isotope fissile. La séparation des isotopes est réalisée en phase gazeuse. L oxyde d uranium U 3 O 8 renfermé dans les minerais uranifères est transformé en le composé volatil hexafluorure d uranium UF 6 par un traitement au difluor F et au fluorure d hydrogène HF. La séparation isotopique se fonde sur la faible différence de masse des molécules 35 UF 6 et 38 UF 6. S appliquent les procédés suivants :

11 a) séparation par diffusion (procédé le plus ancien) Le gaz UF 6 est introduit sous pression dans une chambre subdivisée en compartiments par une membrane poreuse. Puisque les molécules 35 UF 6, plus légères, se déplacent plus rapidement que les molécules plus lourdes 38 UF 6, elles traversent la membrane poreuse plus facilement et se trouvent enrichies (par rapport au mélange initial) de l autre côté de la membrane poreuse. Puisque la différence des masses moléculaires est faible, le taux d enrichissement après un seul passage à travers la membrane poreuse est faible également. Pour obtenir un enrichissement important, il faut mettre en série des milliers de chambres individuelles. b) séparation par ultra-centrifugation (procédé plus récent) Le gaz UF 6 est introduit dans un cylindre en rotation très rapide. Les molécules plus lourdes 38 UF 6 s enrichissent près des parois du cylindre. Le chauffage des parois produit un mouvement de convection qui transporte le mélange enrichi vers le haut du cylindre. Comme le taux d enrichissement atteint par une seule opération de centrifugation est très faible, des milliers d ultracentrifugeuses doivent être placées en série. 35 UF6 38 UF6 enrichi mélange appauvri A la fin d un chacun de ces procédés d enrichissement, l hexafluorure d uranium UF 6 est transformé en oxyde d uranium UO. Applications de la fission a) la bombe atomique de fission (bombe A) On appelle masse critique la masse minimale d un bloc sphérique de matériel fissile nécessaire pour qu en moyenne plus d un des neutrons libérés par la fission d un noyau provoque la fission d un autre noyau avant de sortir du bloc. C est blocs de Pu donc la masse minimale nécessaire pour que la réaction de fission s entretienne et s accélère. La valeur de la masse critique dépend fortement du taux d enrichissement du matériel fissile. Une bombe atomique contient une quantité de matériel fissile ( 35 U ou 39 Pu) supérieure à la masse critique, mais non disposé en bloc sphérique compact. Au moment de la «mise à feu», des charges d un explosif chimique projettent le matériel fissile initialement subdivisé sur une source à neutrons, de sorte à constituer un bloc sphérique compact de masse supérieure à la masse critique. Les Américains ont utilisé l arme atomique contre le Japon pour terminer radicalement la deuxième Guerre Mondiale : - 6 août 95 : explosion de «Little Boy» ( 35 U) sur Hiroshima : 5 morts - 9 août 95 : explosion de «Fat Man» ( 39 Pu) sur Nagasaki : 7 morts Photo : Little Boy et Fat Man explosif chimique source à neutrons La masse critique vaut 56 kg pour 35 U pur et kg pour 39 Pu pur. Elle peut être réduite respectivement à 5 et 5 kg par un revêtement réflecteur de neutrons en uranium naturel disposé autour du matériel fissile. Pour l uranium faiblement enrichi utilisé dans les réacteurs nucléaires, la masse critique est de l ordre de la tonne.

12 b) le réacteur nucléaire L énergie dégagée par la fission nucléaire est libérée sous forme de chaleur convertie ensuite en énergie électrique. Il existe de nombreux types de réacteurs : - réacteurs à matériel fissile hautement enrichi (pour les sous-marins à propulsion nucléaire) - réacteurs à 35 U faiblement enrichi (3-5%): * au graphite ( re génération, réacteurs du type «Tschernobyle») * à eau légère pressurisée (type le plus courant ) - réacteurs à uranium naturel et eau lourde D O - surgénérateurs à neutrons rapides (convertissent 38 U, non fissile, en 39 Pu, fissile) Nous nous limiterons à exposer le fonctionnement du réacteur à eau légère pressurisée, utilisé dans la plupart des centrales nucléaires. Vue de l extérieur, la centrale nucléaire apparaît subdivisée en 3 zones : a) le bloc réacteur disposé dans une enceinte blindée et hermétiquement fermée b) la salle des turbines et générateurs électriques c) les tours de refroidissement Cette subdivision correspond essentiellement aux 3 circuits (primaire, secondaire, tertiaire) du schéma de fonctionnement représenté ci-dessous : enceinte blindée circuit primaire circuit secondaire circuit tertiaire régulateur échangeur de chaleur générateur de courant combustible pompe turbine réacteur pompe condenseur tour de refroidissement ad a) : bloc réacteur Le réacteur est alimenté en uranium 35 U enrichi à % sous forme de pastilles d oxyde d uranium UO (photo ci-contre). Ces pastilles sont introduites dans des tubes en acier reliés en faisceaux. Le réacteur de la centrale nucléaire de Cattenom est de ce type Remarquez la différence avec le principe de la bombe atomique : le faible taux d enrichissement et la subdivision du matériel fissile garantissent que ce type de réacteur ne peut jamais faire explosion!

13 Le réacteur est parcouru par la circulation d eau du circuit de refroidissement primaire fermé. L eau du circuit primaire joue rôles : - l eau intervient comme modérateur en freinant les neutrons produits par la fission nucléaire : le neutron peut déclencher la fission nucléaire seulement si sa vitesse ne dépasse pas une certaine valeur limite - l eau intervient comme transporteur de la chaleur produite par la fission nucléaire vers un échangeur de chaleur intercalé entre le circuit primaire et secondaire. Comme le circuit de refroidissement primaire est pressurisé à 5 atm., l eau reste liquide à une température supérieure à 3 C. La progression des réactions de fission dans le réacteur est contrôlée par le régulateur. On utilise des barres de cadmium qui absorbent les neutrons. Si ces barres sont introduites entre les faisceaux de tubes, le flux des neutrons à l intérieur du réacteur diminue et les réactions de fission se ralentissent. ad b) : salle des turbines et générateurs électriques Afin de réduire les risques de contamination radioactive, la chaleur produite par la fission nucléaire dans le réacteur () est transmise au circuit secondaire par un échangeur de chaleur () qui permet l échange de l énergie mais interdit l échange de l eau des circuits. Dans cet échangeur, l eau du circuit secondaire est portée à ébullition et la vapeur produite actionne des turbines () couplées à des générateurs de courant électrique (3). Pour prévenir la contamination radioactive, le circuit secondaire est également fermé. A la sortie des turbines, la vapeur d eau est condensée dans un condenseur (5), puis l eau liquide est réinjectée dans l échangeur de chaleur par une pompe (6). ad c) : tours de refroidissement faisceau de tubes réacteur en coupe barres en cadmium Le condenseur du circuit secondaire est refroidi par l eau du circuit tertiaire ouvert. Sauf si l on dispose de quantités d eau quasiment illimitées (centrales nucléaires construites au bord de la mer), l eau du circuit tertiaire est partiellement recyclée après avoir été refroidie par ruissellement du haut d une tour de refroidissement. A mesure que la réaction de fission se poursuit dans le réacteur, le «combustible nucléaire» s appauvrit progressivement en 35 U et doit être remplacé. Le combustible usé, hautement radioactif, est dirigé vers une usine de retraitement où l on sépare l isotope fissile (recyclable) 39 Pu formé dans le réacteur des déchets radioactifs que l on se propose de stocker sous terre dans d anciennes mines de sel. Remarquons que le sérieux problème du stockage des déchets radioactifs est loin d être résolu de façon satisfaisante! 3

14 6) La fusion nucléaire Vu la répulsion entre noyaux chargés positivement, la fusion nucléaire exige des températures extrêmement élevées. A ces températures, les électrons sont détachés des noyaux atomiques : la matière se présente dans l état appelé plasma. + + a) fusion nucléaire dans les étoiles La contraction d un nuage de gaz interstellaire sous l effet de la gravitation échauffe le gaz jusqu au démarrage des réactions de fusion entre noyaux d atomes d hydrogène. Le défaut de masse qui accompagne la fusion des noyaux d hydrogène en noyaux d hélium est à la base des énormes quantités d énergie rayonnée par les étoiles. 3 H + H H + H 3 He + He 3 H + e He + hν He + H b) la bombe à hydrogène (bombe thermonucléaire, bombe H) Il s agit d une bombe à fission avec un noyau constitué de deutérure de lithium 6 3Li D. Au cours de la fission nucléaire, la température peut atteindre 5 millions de degrés Celsius et faire démarrer alors la réaction de fusion 6 3Li + D He (présentation simplifiée) qui permet à une bombe H d avoir une puissance explosive fois supérieure à celle d une bombe A. c) recherche sur la fusion nucléaire contrôlée L énorme intérêt de cette recherche consiste en ce que la réalisation contrôlée de la fusion nucléaire ferait disposer l humanité d une source d énergie inépuisable. Il faut réussir à échauffer un plasma suffisamment dense à des dizaines de millions de degrés Celsius tout en l empêchant de s échapper par diffusion. Comme aucun matériel ne résiste à des températures aussi élevées, le problème est de taille. La recherche est engagée essentiellement sur voies : * l approche par confinement magnétique dans l appareil TOKAMAK Un plasma formé à partir de deutérium et de tritium est enfermé et comprimé dans un champ magnétique toroïdal et chauffé par ondes électromagnétiques de très haute fréquence. * l approche par confinement inertiel (fusion au laser) A l aide d un faisceau laser d une extrême puissance, on essaie de chauffer des granules d un mélange de deutérium et tritium solide à partir d une température de 6 C jusqu à des dizaines de millions de degrés Celsius en un temps inférieur (quelques nanosecondes) à l évaporation de la granule. Les optimistes sont d avis que la production d énergie par fusion nucléaire sera opérationnelle à partir de 3.

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