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Fission et fusion nucléaires

La fumée (vapeur d'eau) émise par les réfrigérants de la centrale nucléaire de Cattenom située près des frontières Belgo-Luxembourgeoises. Document EDF.

La réaction de fission (II)

La radioactivité

La radioactivité est un phénomène lié à la désintégration spontanée des noyaux atomiques, ce qu'on appelle les radionucléides. Nous verrons lorsque nous discuterons de la protection civile que cette radioactivité peut être naturelle ou forcée artificiellement. Le phénomène fut découvert en 1896 par le physicien français Antoine-Henri Becquerel dont l'étude sera poursuivie par le couple Joliot-Curie.

La radioactivité se manifeste lorsqu'un noyau ayant été excité par un neutron essaye de retrouver une configuration nucléaire plus stable. Il peut y parvenir de différentes manières :

- en émettant un noyau d'hélium (hélion ou décroissance alpha)

- en transformant l'un de ses neutrons en proton en émettant simultanément un électron (décroissance bêta)

- en fissionnant spontanément en deux fragments (produits de fission). Ces fragments peuvent ou non être radioactifs. Si c'est le cas, ils vont eux-même subir une décroissance.

La décroissance alpha (α) contenant des noyaux lourds, elle est toxique mais les particules peuvent être arrêtées assez facilement, soit par une feuille de papier soit par l'épiderme de la peau. Même une particule de 4 MeV ne parcourt qu'environ 25 mm dans l'air.

Décroissance alpha du plutonium : 239Pu  → 235U + 4He

La décroissance bêta (β) se manifeste lorsqu'un nucléide présente trop de protons ou de neutrons pour rester stable. Il y a deux types de réactions : la décroissance β positive qui libère un positron (antiélectron chargé positivement) et un neutrino (particule neutre); la décroissance β négative qui libère un électron et un antineutrino.

Décroissance bêta négative du tritium : 3H  →  3He + électron + antineutrino

La décroissance β négative est un peu plus commune que la réaction opposée. Ce type de décroissance fut découvert par Ernest Rutherford en 1899 mais les neutrinos ne seront découvert que dans les années 1960. Le rayonnement β est synonyme d'émission d'électrons car, de par leur nature neutre, les neutrinos interagissent très peu avec la matière. Un électron de 500 keV parcourt environ 3 mètres dans l'air et peut être arrêté par une planche en bois de 5 cm d'épaisseur.

Le troisième type de réaction nucléaire à l'excitation neutronique est la fission spontanée. C'est une réaction de fission ordinaire telle que nous l'avons décrite précédemment mais comme son nom l'indique, elle se produit spontanément après excitation. Elle se manifeste par exemple assez facilement avec le plutonium-239 (voir plus loin).

Citons pour mémoire les rayonnements X et gamma, des radiations également émises au cours des explosions nucléaires. Il ne s'agit pas de rayonnements corpusculaires mais électromagnétiques de très courte fréquence. Les rayons gamma sont plus énergétiques que les rayons X. Ces émissions résultent de la redistribution des charges électriques dans le noyau atomique.

Les rayons gamma participent également à l'impulsion électromagnétique (NEMP) des bombes atomiques, phénomène que l'on enregistre en même temps que la formation de la boule de feu (fireball) et qui a été exploitée pour fabriquer les "E-bombes", des bombes électromagnétiques dites propres car elles ne détruisent que les infrastructures électriques et électroniques par ionisation des gaz. Les rayons gamma sont émis soit lorsque le noyau est excité soit au cours de réactions avec d'autres noyaux et sont souvent accompagnés de rayonnements α ou β. Les rayons X sont émis lors de réactions nucléaires impliquant des électrons.

De part leur très haute énergie, les rayons gamma sont plus pénétrants que toute autre rayonnement et c'est eux qui provoquent le plus fort taux de mortalité directe au cours d'une explosion atomique. Comme les rayons X, à fortes doses ils provoquent des brûlures et des mutations génétiques (tumeur, cancer, etc.).

Rappelons également que toute pile à combustible nucléaire, y compris celles utilisées dans les hôpitaux, les laboratoires, certains sous-marins et porte-avions par exemple, ce que l'on appelle le "petit nucléaire" contient un élément radioactif qui peut être dangereux s'il est manipulé sans précaution. Des dizaines de contrebandiers sont ainsi morts en transportant des pastilles de combustibles "abandonnées" par les autorités des pays d'Europe de l'Est, de Russie et vraisemblablement lors des premiers essais d'enrichissement de l'uranium en Irak. Nous reviendrons en détail sur les différents effets de la radioactivité lorsque nous décrirons les effets des explosions nucléaires.

Pour terminer ce chapitre, précisons que la radioactivité d'une source radioactive se mesure en Becquerel (symbole : Bq) et mesure le nombre de désintégrations atomiques se produisant en une seconde. Un taux de 10 Bq par exemple signifie que 10 atomes se désintègrent chaque seconde. Ne vous inquiétez pas, un homme de 70 kg est radioactif et émet naturellement... 10000 Bq ! Beaucoup d'aliments sont légèrement radioactifs mais jusqu'à présent personne ne brille encore la nuit, et si nous avons 37.2°C en permanence, ce n'est pas du fait de notre radioactivité naturelle, mais bien de notre métabolisme tout aussi bien régulé qu'une horloge... atomique ! (ou circadienne dirons les connaisseurs).

Notions techniques complémentaires

Le nucléaire est un domaine très vaste qui touche autant à la physique quantique qu'aux disciplines de l'ingénieur (conception, fabrication) qu'à celui du contrôle (sécurité des installations, des opérations, sanitaire, environnement, etc.). On ne peut s'étendre sur ces sujets dans cet article mais nous y reviendrons dans d'autres dossiers (Physique quantique, Ecologie et environnement).

Avant d'en venir aux applications civiles et au problème des déchets nucléaires, nous allons décrire en quelques mots quelques concepts clés qui reviennent régulièrement dans tous les articles sur le sujet.

Demi-vie (période)

Un élément radioactif se caractérise par sa demi-vie ou période, intervalle de temps requis au terme duquel 50% des radionucléides ont subit une décroissance.

Cette période est variable en fonction des éléments et oscille entre quelques millisecondes et plusieurs dizaines de milliards d'années. La période du cobalt-60 par exemple est de 5.26 ans. Cela signifie qu'en mesurant sa radioactivité au bout de 5.26 ans, on constatera qu'il ne reste que 50% des éléments radioactifs et qu'ils ont perdu 50% de leur radioactivité. 5.26 ans plus tard, la moitié restante sera radioactive, etc, jusqu'à décroissance et stabilisation complète du radioélément. Durant cette période de radioactivité, il faut donc manipuler les radioisotopes avec beaucoup de précautions au risque d'être irradié ou contaminé.

Comment calcule-t-on cette demi-vie ? Il faut déterminer le nombre de désintégrations alpha par an et par atome. On déduit cette relation de la loi de décroissance exponentielle (dN/dT = -λN où N est le nombre d'éléments considéré, T le temps et λ le taux de décroissance).

Pour cela il faut connaître le rendement du détecteur alpha et disposer d'un temps de comptage suffisamment long. Dans le cas d'un mélange d'isotopes (comme l'uranium) il faut au préalable déterminer avec précision la proportion de chaque isotope par spectrométrie de masse et s'assurer qu'aucune autre impureté ne risque de produire des désintégrations alpha indésirables.

Ainsi, si on se base sur la mesure la plus précise effectuée en 1971, dans un échantillon d'U-238 presque pur on a compté 823,16 désintégrations alpha par minute et par mg d'échantillon ; il y avait 99,979% d'uranium 238 dans l'échantillon. 90,67% des particules alpha provenaient de l'U-238. On obtient ainsi : 823,16 x 0,9067/0,99979 = 746,52 désintégrations alpha par minute et par mg d'uranium 238.

Ensuite, à partir de la masse atomique Z de l'atome (238,05 pour U-238), du nombre de désintégrations alpha par minute et par mg d'U-238 (soit 746,52), du nombre d'Avogadro A (6,0221 x 1023) et du nombre de minutes M dans l'année (525950), sachant que la demi-vie déduite de l'équation dynamique précédente vaut :

t1/2 = ( ln 2 ) /  λ

1/λ = 746,52 * (Z x 103) * M / A

= 746,52 * (238,05 x 103) * 5,2595x105 / (6,0221 x 1023)

= 6,444 x 109

λ = 0,1552 x 10-9 désintégrations par atome et par an

t1/2 = ln 2 / λ = (0,69315 / 0,1552) x 109 = 4,467 x 109 ans, soit une demi-vie d'environ 4.5 milliards d'années

Ainsi au terme de la première période (dans 4.5 milliards d'années dans cet exemple) il restera 50% d'uranium-238, au terme de la 2eme période il en restera 25% (1/4), 12.5% (1/8) au terme de la 3eme période, etc.

Piscine

Certains réacteurs nucléaires ainsi que les stocks de combustible et les déchets nucléaires avant retraitement, tels ceux présentés à droite, sont plongés dans une piscine d'eau (parfois d'eau lourde quand il s'agit d'un réacteur).

Piscine d'entreposage temporaire des déchets nucléaires à La Hague. Document Cogema.

Par ses propriétés, l'eau assure trois fonctions : elle joue le rôle d'agent refroidissant permettant de dissiper la chaleur dégagée par la substance radioactive. Elle offre également ce qu'on appelle un "bouclier biologique" contre les radionucléides lorsque la profondeur d'eau atteint au moins 5 m et enfin, elle joue le rôle de modérateur pour les neutrons. C'est la raison pour laquelle, même dans un laboratoire de stérilisation médicale, lorsque les pastilles de cobalt-60 ne sont pas utilisées, elles sont plongées au fond d'une piscine de plusieurs mètres de profondeur afin de réduire au maximum leur rayonnement et tout risque d'exposition accidentelle.

Ces installations ressemblent d'autant plus à des piscines qu'elles peuvent mesurer plus de 50 m de longueur ou présenter un diamètre ou une largeur qui varie entre 2 et 20 m pour une profondeur variant entre 6 et 15 m. Leurs parois sont recouvertes d'acier inoxydable et peuvent peser à vide plus de 14000 tonnes. Elle sont également éclairées. Des bouées de sauvetage sont disposées autour de l'installation pour venir en aide à toute personne qui tomberait accidentellement dans l'eau, ce qui renforce leur apparence de piscine. Quand elles servent au stockage des déchets nucléaires, l'eau est refroidie et filtrée en permanence. Ces piscines peuvent contenir plus de 10000 hl d'eau.

Le fait de plonger un réacteur nucléaire dans une piscine offre un bouclier très efficace face aux radiations au point qu'un technicien peut travailler juste au-dessus du réacteur en toute sécurité. C'est dans cet environnement particulier que les ingénieurs d'un laboratoire de Los Alamos découvrirent voici quelques décennies des bactéries pseudomonas se développant à quelques centimètres d'une pile atomique plongée dans une piscine. Totalement insensibles aux radiations, ces organismes primitifs continuaient à se développer alors qu'un homme tombant dans l'eau de la piscine pouvait succomber suite à l'intensité des radiations.

Dans le cas des réacteurs, l'avantage de ces installations est de pouvoir accéder facilement à tout le système de refroidissement dont l'eau se trouve à pression ordinaire. Cela permet d'éviter de gérer les hautes températures et les pressions élevées régnant dans les centrales nucléaires thermiques par exemple. Ces installations sont également utilisées comme source de neutrons et pour les simulations et exceptionnellement pour générer de la chaleur mais jamais pour produire de l'électricité.

L'effet Cherenkov

Parmi les rayonnements émis indirectement par un réacteur nucléaire, il en est un qui est surprenant et inoffensif en soi. Si vous regardez dans le noir la piscine remplie d'eau d'un réacteur nucléaire en activité contenant du combustible fissile ou fertile, vous serez surpris de constater que le coeur est enveloppé dans une lueur bleue, plus ou moins claire en fonction de l'énergie générée par le réacteur. Non ce n'est pas l'éclairage de la piscine, c'est l'effet Cherenkov !

Différents effets Cherenkov se manifestant dans les piscines des réacteurs nucléaires.

Lorsqu'un radioélément fortement radioactif décroît, certains électrons (rayonnement β) sont émis à une vitesse supérieure à celle de la lumière dans l'eau. Dès qu'ils quittent le combustible, ils interagissent avec l'eau et leur vitesse diminue rapidement. La longueur d'onde à laquelle l'énergie est alors libérée est la même que celle de la lumière bleue. Le phénomène se manifeste encore quelques temps après l'arrêt du réacteur suite à la décroissance des produits de fission. C'est l'eau qui produit ce rayonnement, pas le matériel irradié. Le même phénomène se produit dans les piscines souterraines dans lesquelles les physiciens étudient les réactions neutrinos. Notons que si l'opérateur à la mauvaise idée de remonter subitement une barre de contrôle d'un réacteur en activité, instantanément le coeur va s'emballer et il va se produire un intense flash bleu qui n'est autre qu'un effet Cherenkov de grande amplitude. Malheureusement, si l'opérateur s'est penché sur la piscine et a effectué cette maladresse alors que le niveau d'eau a été abaissé, il a toutes les chances d'être irradié par la radioactivité émise par le coeur.

Masse critique

Suite à la radioactivité émise spontanément par l'uranium et les autres combustibles nucléaires, la masse fissile doit être conservée en petites quantités séparées car la fission est un phénomène spontané au-delà d'une certaine quantité de matière qui, passée ce seuil critique, délenche une réaction de fission explosive en l'espace d'un millionième de seconde.

La masse critique d'une substance radioactive dépend de ses propriétés et de la géométrie du combustible, notamment de la section efficace de la réaction de fission (exprimées en barns), de la densité du combustible, sa pureté et sa forme.

Lorsque la réaction en chaîne est possible, on parle de masse critique car elle a atteint le stade de criticité : sans apport additionnel de neutrons, par l'effet de la fission spontanée, la réaction va s'entretenir sans s'emballer. Si on ajoute de nouveaux neutrons, la réaction va augmenter linéairement. Si le système présente une masse trop faible, l'apport de neutrons va produire un état stationnaire (équilibre) dit sous-critique. Inversement, si le système est capable d'entretenir des réactions de fission sans apport de neutrons retardés (voir plus bas) on parle de masse surcritique ou supercritique.

La masse critique de l'uranium dépend de sa concentration en isotopes fissiles. Ainsi, de l'uranium-238 enrichi à 15% d'uranium-235 présente une masse critique supérieure à 1000 kg. Enrichi à 20%, la masse critique n'est plus que d'environ 400 kg. Bien sûr dans le cas de bombes nucléaires, l'uranium étant enrichi à plus de 98%; on peut se contenter d'un peu plus de 50 kg et de 8 à 10 kg pour le plutonium. Tiens, il me semble que nos centrales et nos bases militaires de l'OTAN ont justement cette quantité de plutonium... On en reparlera dans mon plaidoyer sur l'écologie à propos du risque nucléaire.

Pour éviter toute mauvaise surprise, dans le cas d'une bombe atomique les éléments détonateurs sont maintenus dans un état sous-critique : l'assemblage est démonté et les éléments maintenus séparément jusqu'au jour de leur utilisation.

Isotope

Masse critique

Uranium-233

15 kg

Uranium-235

50 kg

Plutonium-238

9.04 - 10.07 kg

Plutonium-239

10 kg

Plutonium-240

40 kg

Plutonium-242

100 kg

Americium-242

9 - 18 kg

Curium-247

6.94 - 7.06 kg

Californium-251

5 kg

Pour l'anecdote, Richard Feynman rapporta dans son livre biographique qu'il s'en fallut de peu en 1945 qu'au cours du stockage de l'uranium les scientifiques réunis à Alamogordo ne fassent tout exploser car toute la matière fissile avait été stockée dans un coin, sans vraiment faire attention à la masse critique... Un comble pour des experts !

Accident de criticité

Suite à une mauvaise manipulation (mélange surcritique de produits fissiles, manipulation des barres de combustible, etc.) ou plus rarement suite un accident technique (blocage des barres de contrôle, etc.), une réaction de fission nucléaire peut soit se déclencher accidentellement soit, dans le cas d'un réacteur, subir un sur-coup de puissance catastrophique au cours duquel la réaction en chaîne s'emballe en-dehors de tout contrôle. Vu la quantité de combustible en jeu dans un réacteur et l'évolution quasi instantanée du phénomène, cet accident laisse très peu de temps aux opérateurs pour réagir. Il se produit alors un accident de criticité. La puissance développée par le réacteur peut instantanément augmenter d'un facteur 3 et conduire à la fusion partielle du noyau et à l'explosion des installations. C'est ce qui est arrivé à Tchernobyl en 1986. Les barres de contrôle qui avaient été remontées ont été replongées dans le réacteur alors qu'elles étaient recouvertes de graphite, ce qui a provoqué instantanément un sur-coup de puissance. 

En 1999 à Tokai Mura au Japon, des ouvriers ont essayé de dissoudre du nitrate d'uranyle dans un réservoir qui n'était pas prévu à cet usage et en quantité supérieure à la masse critique du produit (sept fois plus que prévu). Dans les deux cas, l'accident s'est soldé par un intense effet Cherenkov, la mort des travailleurs et la libération d'un nuage radioactif !

Niveau d'énergie et neutrons retardés

Au cours d'une réaction de fission, 85% environ de l'énergie se libère sous forme d'énergie cinétique transportée par les neutrons, les produits de fission et les rares déchets nucléaires. Elle est donc beaucoup moins puissante que la réaction de fusion thermonucléaire (voir page suivante). Mais étant donné que la fission se réalise dans un combustible à l'état solide, cette énergie ne peut se propager que sur des distances microscopiques. Elle se transforme donc en rayons gamma et rapidement en chaleur.

Composants primaires d'une centrale nucléaire de puissance telle que Chooz (F) : la cuve du réacteur, le générateur de vapeur, le groupe moto-pompe et les tuyauteries primaires. Doc Metride.

Au même moment, la décroissance des produits de fission (et des déchets nucléaires) en isotopes de plus en plus stables s'accompagne d'une émission de rayonnements corpusculaires. Selon le type de radioisotope, les noyaux vont émettre des hélions (décroissance α) ou des électrons (décroissance β). C'est ce rayonnement β, lorsqu'il est associé aux rayons γ (et aux neutrons) qui rend la fission nucléaire hautement radioactive. Heureusement elle diminue d'intensité avec le temps mais cela dure en général plusieurs années voire des millénaires avant que le radioisotope ne devienne inoffensif pour la santé et l'environnement.

Les rayons γ émis au cours et après la fission sont plus ou moins pénétrants en fonction de l'énergie cinétique des neutrons. Tous les neutrons ne sont pas émis directement après la réaction. 0.7% de neutrons dans le cas d'une fission à l'uranium-235 et 0.2% des neutrons dans le cas du plutonium-239 sont retardés car ils s'associent à la décroissance radioactive de certains produits de fission. Le délai d'émission (demi-vie) le plus long est de 56 secondes.

Dans le cas d'une centrale nucléaire, ce délai d'émission des neutrons est crucial pour la réaction en chaîne et il doit être contrôlé jusqu'à obtenir un équilibre critique mais parfait de la réaction de fission. En effet, sans ces neutrons retardés, tout changement de l'équilibre critique de la réaction en chaîne conduirait à une augmentation ou une diminution instantanée et incontrôlable de la population de neutrons.

Les conditions de cet équilibre font partie intégrante des spécifications de la conception des centrales nucléaires, en particulier du mode de fonctionnement du réacteur et des limites strictes de puissance, de température et de pression à ne pas dépasser sous peine de provoquer un incident ou un accident nucléaire.

Pour obtenir cet équilibre critique, le nombre total de neutrons doit correspondre à la somme des neutrons générant les fissions en chaîne, ceux qui sont absorbés et ceux ayant quitté le système. Si cette condition est remplie, l'énergie générée reste constante. Pour augmenter ou diminuer la puissance du réacteur, cet équilibre doit être modifié. Cela s'effectue grâce à un système de contrôle (les fameuses barres de contrôle) qui permet de réduire ou d'augmenter le nombre de neutrons présents dans le système. On comprend mieux ainsi que si ce système de contrôle n'est pas assuré, le réacteur peut s'emballer, la pression augmenter et faire exploser tout le complexe, ce qui s'est produit à Tchernobyl.

Dans le cas d'une bombe A c'est encore plus simple, il n'y a pas de contrôle ! La réaction de fission une fois enclenchée consomme tout le combustible fissile (en théorie) jusqu'à l'arrêt de la réaction "faute de combattant". Pour les soldats ça signifie concrètement : "planquez vous dans les abris, ça va sauter !" C'est tenue de combat et protection radiologique (NBC). Quant aux considérations éthiques, il ne s'agit plus d'une question de physique quantique. Nous y reviendrons à propos du Projet Manhattan ainsi qu'en écologie à propos des problèmes liés au risque nucléaire et de l'attitude des gouvernements.

Si chaque neutron libère deux autres neutrons, le nombre de fissions double à chaque génération. En 10 générations il se réalise 1024 fissions et en à peine moins de 80 générations on atteint rapidement 1023 fissions. En pratique un réacteur d'une puissance de 200 kW produit environ 6.4 trillions de fissions par seconde !

L'énergie totale libérée par la fission varie en fonction des produits de fission (voir ci-dessus). Pour un seul noyau d’uranium (et il y en au moins 1027 dans une bombe de 50 kg de combustible) l'énergie libérée est d'environ 200 MeV et d'environ 210 MeV pour le plutonium-239. C'est ainsi qu'on obtient des explosions nucléaires équivalent à l'énergie libérée par 13000 tonnes de TNT dans le cas d'Hiroshima jusqu'à des valeurs dépassant 50 MT dans le cas d'une très grosse bombe H.

L'énergie libérée au cours de la fission varie en fonction du combustible fissile. En général les 200 MeV sont distribués de la manière suivante :

Energie

Source

165 MeV

7 MeV

6 MeV

7 MeV

6 MeV

9 MeV

Energie cinétique des produits de fission

Rayons gamma

Energie cinétique des neutrons

Energie des produits de fission

Rayons gamma des produits de fission

Antineutrinos des produits de fission

Concrètement, sachant qu'une molécule de gaz carbonique produite au cours de la combustion des énergies fossiles libère 4 eV ou 6.5 x 10-19 J, on peut en déduire qu'un gramme d'uranium enrichi - 235 fois plus massif que l'hydrogène - produit autant d'énergie que 2 tonnes de pétrole ou 2.5 tonnes de charbon, un morceau de charbon pouvant à lui seul chauffer plus d'une centaine de tasses de café ! Ces chiffres donnent toute la mesure de la puissance des centrales nucléaires et des bombes atomiques. Le petit soufle de désespoir d'Einstein s'est transformé en un souffle terrifiant capable aujourd'hui de détruire toute la planète !

Barres de contrôle

Egalement appelées grappes de contrôle ou de commande. Dans toute centrale nucléaire, les réactions de fission sont par définition contrôlées. Pour y parvenir et obtenir la puissance requise, on utilise deux types de barres de contrôle : celles pour assurer la compensation et la sécurité et celles servant aux réglages. Dans les deux cas, les barres se déplacent individuellement dans un tube conducteur percé de trous pour assurer le refroidissement. La partie absorbante des barres est fabriquée en bore ou en cadmium non radioactif généralement revêtu d'aluminium.

Les barres de compensation et de sécurité sont conçues pour absorber les neutrons émis par le réacteur ce qui permet au final de contrôler la production d'électricité. Totalement introduites dans le coeur, le réacteur ne produit plus aucune puissance et est littéralement arrêté. Elles peuvent être détachées dans le réacteur en l'espace de quelques secondes pour provoquer un arrêt rapide de la réaction. En revanche, les barres de commande sont constamment liées à leur mécanisme de déplacement et ne peuvent pas contribuer à l'arrêt du réacteur.

C'est ici qu'une erreur humaine (le retrait des barres pas erreur ou au-delà du seuil de sécurité) peut provoquer une montée en puissance du réacteur avec tous les risques liés à cette manipulation. On en reparlera à propos de l'accident de Tchernobyl qui fut justement provoqué par une telle erreur suivie de beaucoup d'autres.

Empoisonnement

On dit qu'un réacteur est empoisonné (au xénon-135 ou au samarium-149 par exemple) lorsque certains produits de fission capturent et accumulent des neutrons au cours des réactions. Le bilan neutronique est déséquilibré. Dans le cas de Tchernobyl par exemple qui fut empoisonné au xénon, ce produit de fission joua le rôle de modérateur à la place du graphite, empêchant la reprise de la fission. Alors que le réacteur devait produire au moins 1 GW de puissance, le xénon-135 s'était tellement dégradé en absorbant des neutrons que la puissance fut limitée à 200 MW. Ce sont les étapes ultérieures visant à rétablir la situation, qui provoquèrent l'accident.

Activation

Dans les réacteurs nucléaires y compris à fusion magnétique (JET, ITER), une partie des neutrons peuvent être capturés par des noyaux non fissiles, c'est l'activation. Ces réactions génèrent un peu d'énergie sous forme de rayons γ dont l'intensité varie en fonction des noyaux excités. Ces nouveaux noyaux tenteront de retrouver leur stabilité en émettant des particules α ou β. Les neutrons capturés par des isotopes transuraniens (Z > 92) forment ce qu'on appelle des éléments transuraniens et correspondent aux actinides au-delà de l'uranium dans le tableau de Mendéléev.

Les produits d'activation peuvent également se former au contact des neutrons avec n'importe quel matériau "activable". En général il s'agit des composés de l'acier contenu dans les parois de la cuve des réacteurs. Ces produits d'activation vont du tritium (3H) et du carbone-14 au fer-55, cobalt-60 et nickel-63. Ces quatre dernier isotopes sont des agents polluants dans la mesure où même lors du démantelement des installations, leur radioactivité résiduelle limite leur recyclage.

Dans le cas de la fusion magnétique, la soi-disant énergie "propre" de demain, la réaction de fusion ne produit aucun élément toxique ou cancérogène mais il y a une légère activation au niveau des parois et même avec le plasma servant de combustible. On peut diminuer cette activation en choisissant des matériaux peu activables, mais jamais l'annuler. On en reparlera un peu plus loin.

Les barrières de confinement

Cela n'a rien à voir avec les barres de contrôle. Il s'agit des différents dispositifs de protection que l'on place entre le coeur du réacteur et le monde extérieur. En allant du coeur à l'herbe des prés avoisinant la centrale, nous trouvons respectivement :

- les tubes métalliques (par ex. en zircaloy, alliage de zircon) entourant le combustible fissile plongé dans la piscine

- la cuve en acier abritant le coeur et les circuits de refroidissement

- la double coque en béton armé (et parfois en métal) protégeant les installations.

Coupe schématique des différents composants d'une centrale nucléaire de puissance (Chooz, Cattenom, Tihange...). Document La cuisine collective.

Circuits de refroidissement

Tout le monde a déjà vu ces immenses tours de refroidissement qui entourent les centrales nucléaires. Quel est leur rôle et que contiennent ces nuages blancs ? Rassurez-vous tout cela est inoffensif.

Dans une centrale nucléaire utilisant de l'eau sous pression (155 bars), il existe généralement 3 circuits de refroidissement :

- le circuit primaire qui se trouve dans l'enceinte de confinement de la piscine du réacteur. Il sert à échanger la chaleur émise par le réacteur avec les générateurs de vapeur qui sont reliés aux turbines. C'est un circuit fermé et bien sûr radioactif. L'eau s'y trouve sous forme liquide. Une fuite à ce niveau ci libère de l'eau radioactive et constitue un accident grave. Cet évènement impose l'arrêt du réacteur et la fermeture de la centrale nucléaire jusqu'à résolution du problème.

- le circuit secondaire dit classique se compose d'un condenseur, de générateurs de vapeur et d'une ou plusieurs turbines. L'eau liquide se vaporise dans les générateurs de vapeur et va alimenter les différents étages d'une turbine. C'est également un circuit fermé. Dans le dernier étage de la turbine, l'eau se trouve à très basse pression (50 millibars) et y est maintenue par des pompes à vide. L'eau condensée dans cet appareil est ensuire réinjectée dans les circuits des générateurs de vapeur. Une fuite à ce niveau ci exige également l'arrêt du réacteur et la fermeture de la centrale.

En 1979, à Three Mile Island, aux Etats-Unis, c'est la panne des pompes alimentant le circuit secondaire qui fut à l'origine d'un accident au cours duquel des fuites radioactives s'évaporèrent dans l'atmosphère. En 2004, dans la centrale de Mihama au Japon, c'est une fuite de vapeur dans un bâtiment abritant les turbines qui tua 5 personnes et en blessa sept autres. Il fut considéré comme un incident car il n'y eut aucun rejet radioactif.

- le circuit tertiaire qui assure le refroidissement du condenseur et qui sert à liquéfier la vapeur d'eau. Il est en contact avec le monde extérieur et ne peut donc jamais être contaminé par la radioactivité. L'eau chaude perd sa chaleur en passant dans un réseau de tuyauteries placé dans la tour aéroréfrigérante qui provoque simplement un courant d'air. Il s'évapore environ 1.5% d'eau sous forme de vapeur qui se matérialise au sortir de la tour sous forme de nuages blancs. Simultanément, l'eau de refroidissement peut également être échangée et refroidie avec l'eau d'une rivière ou d'un lac proche préalablement filtrée de toute impureté. En général la température de l'eau de la rivière ou du lac n'augmente pas de plus de 1 à 2°C et fait l'objet d'un contrôle strict par les autorités nationales ou celles des pays limitrophes (ex. Cattenom à la frontière Franco-Luxembourgeoise).

Le plutonium

On peut également utiliser du plutonium-239, de la même façon que l'uranium-235, dont la collision avec des neutrons thermiques crée également une réaction de fission (contrôlée ou explosive). Il faut toutefois le purifier en écartant le plutonium-240 dont l'émission spontanée de neutrons est trop importante.

Le plutonium-239 représente le deuxième combustible des réacteurs nucléaires et des bombes atomiques et contribue à un tiers de l'énergie émise. La masse des produits de fission se distribue entre les masses atomiques 100 et 135.

Le plutonium est également un déchet nucléaire valorisable car il est peut être recyclé à l'inverse de beaucoup d'autres produits radioactifs qui sont indésirables. Le plutonium est autant utilisé par l'industrie civile que militaire et son utilisation fait toujours l'objet de polémiques vu qu'il est relativement bon marché et peut susciter la convoitise des terroristes. On y reviendra.

Prochain chapitre

Applications civiles de la fission nucléaire

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