L'énergie nucléaire présente plusieurs avantages par rapport aux sources d'énergie non renouvelables. Les déchets produits par les réacteurs nucléaires sont toxiques, mais les déchets radioactifs finissent par se décomposer en substances inoffensives telles que le plomb, même si cela peut prendre jusqu'à un million d'années. En outre, les combustibles nucléaires tels que l'uranium sont beaucoup plus denses que les combustibles fossiles traditionnels, de sorte qu'il y a beaucoup moins de déchets produits physiquement. Enfin, les sources d'énergie renouvelables vertes telles que l'énergie solaire ou éolienne ne peuvent pas produire autant d'énergie que l'énergie nucléaire et dépendent généralement des conditions météorologiques.
Qu'est-ce qu'un réacteur nucléaire ? Les principes de base
Un réacteur nucléaire est un dispositif qui utilise les réactions nucléaires pour générer de la chaleur qui peut être utilisée pour produire de l'électricité. Les réacteurs nucléaires utilisent l'énergie libérée par la division des atomes (fission nucléaire) ou la fusion des atomes (fusion nucléaire) pour produire de la chaleur, qui est ensuite utilisée pour créer de la vapeur qui entraîne une turbine et produit de l'électricité.
Le réacteur nucléaire est le cœur de toutecentrale nucléaire. Cependant, en dehors du réacteur principal, une centrale nucléaire produit de l'électricité d'une manière étonnamment similaire à celle d'une centrale à charbon. En fin de compte, l'énergie libérée par les réactions nucléaires à l'intérieur d'un réacteur est simplement utilisée pour chauffer et faire bouillir de l'eau. La vapeur produit alors un travail mécanique qui fait tourner une turbine et génère de l'électricité. La vapeur est ensuite refroidie dans le condenseur pour être réutilisée dans le réacteur. Les centrales nucléaires sont un exemple de moteur thermique.
Schéma de la production d'électricité dans une centrale nucléaire, Flickr CC BY-NC-SA 2.0
Il existe deux méthodes pour chauffer l'eau en utilisant les réactions nucléaires. La première est la fission nucléaire, qui consiste à diviser un noyau parent en deux noyaux fils. La masse des deux noyaux fils est toujours inférieure à celle du noyau parent, et cette masse manquante est libérée sous forme d'énergie.
La deuxième méthode de chauffage possible est la fusion nucléaire, où deux noyaux atomiques légers sont forcés de s'assembler et de fusionner en un seul noyau. Comme pour la fission, le noyau résultant d'une réaction de fusion a une masse inférieure à celle des deux noyaux d'origine. La masse restante est libérée sous forme d'énergie.
Pour déterminer exactement la quantité d'énergie libérée lors de ces deux réactions nucléaires, nous devons nous référer à l'équation la plus célèbre de toute la physique. L'équation d'Einstein ! Elle nous aide à comprendre comment la masse peut être convertie en énergie.
\(E = mc^2\), où E est l'énergie, m la masse et c la vitesse de la lumière.
Pour calculer l'énergie libérée par une réaction de fission nucléaire, tu dois déterminer la différence de masse entre le noyau parent et les noyaux fils. (Un tableau périodique peut t'aider à le faire). L' équation d'Einstein montre que tu peux ensuite multiplier cette différence de masse par la vitesse de la lumière au carré pour obtenir la masse qui a été convertie en énergie lors de la réaction.
Exemples de réacteurs nucléaires
En mars 2022, il y a actuellement 11 réacteurs nucléaires répartis sur 5 sites différents en activité au Royaume-Uni. L'énergie nucléaire a généré plus de 16 % des besoins énergétiques de la nation en 2020 et ce pourcentage est en augmentation grâce aux incitations et subventions récemment mises en place par le gouvernement. La liste des centrales nucléaires actives au Royaume-Uni comprend Hinkley Point B, Hartlepool, Heysham 1, Heysham 2, Torness et Sizewell B.
Réacteur à fission nucléaire
Dans une réaction de fission nucléaire, un noyau parent est divisé pour produire deux noyaux filles. La différence de masse avant et après la réaction est directement convertie en énergie. Le type le plus courant de combustible nucléaire utilisé dans les réacteurs à fission est l'uranium 235. Malheureusement, l'énergie libérée par la fission d'un seul atome d'uranium 235 n'est que de \(3,2 \cdot 10^{-11} J\). C'est insignifiant par rapport à nos besoins énergétiques modernes, car un foyer britannique moyen a besoin d'environ1010 joules d'énergie par an. Heureusement, un seul kilogramme d'uranium contient un nombre insondable d'atomes d'uranium 235. Alors, comment diviser plus d'un noyau atomique à la fois ? La réponse est la réaction nucléaire en chaîne.
Dans un réacteur à fission nucléaire, lorsqu'un neutron est absorbé par un isotope d'uranium 235, il devient brièvement de l'uranium 236. L'U-236 est extrêmement instable et se désintègre rapidement en deux noyaux fils, le césium-140 et le rubidium-92, tout en libérant de l'énergie. Cependant, les deux noyaux fils ne sont pas les seuls produits de la fission nucléaire. Deux ou trois neutrons sont également émis. Si la source de combustible d'uranium est suffisamment dense, ces neutrons peuvent alors être absorbés par d'autres isotopes d'U-235, ce qui entraîne la division d'autres noyaux dans d'autres réactions de fission nucléaire, libérant ainsi encore plus d'énergie !
Dans le diagramme ci-dessus, tu peux voir que la fission du noyau de l'exemple ci-dessus produit 3 nouveaux neutrons, qui sont à leur tour absorbés par 3 autres noyaux atomiques. Ces noyaux se diviseront également, émettant 9 nouveaux neutrons au total ! Ainsi, si chaque fission produit 3 nouveaux neutrons, le nombre de réactions de fission triplera à chaque nouvelle génération (en supposant que tous les neutrons émis entrent effectivement en collision avec un noyau atomique).
Génération | Nombre de réactions de fission |
1er | 1 |
2e | 3 |
3ème | 9 |
4e | 27 |
5ème | 81 |
10e | 19,683 |
50e | 2.4 x 1023 |
Tu peux voir dans le tableau ci-dessus comment une réaction nucléaire en chaîne pourrait rapidement devenir incontrôlable, libérant une énorme quantité d'énergie en très peu de temps. C'est en fait ainsi que fonctionnent les armes nucléaires. Une réaction nucléaire en chaîne incontrôlée qui conduit à une explosion catastrophique. Il est évident que pour nos besoins en énergie, il faudrait pouvoir réguler cette réaction pour contrôler la quantité d'énergie libérée.
Schéma d'un réacteur nucléaire
Pour comprendre comment contrôler une réaction nucléaire en chaîne pour l'utiliser dans nos centrales électriques, nous devons étudier la conception d'un réacteur à fission nucléaire. Un réacteur à fission possède des mécanismes conçus pour modérer une réaction en chaîne afin d'extraire la quantité exacte d'énergie souhaitée. Ceci est particulièrement utile car les demandes d'énergie du Royaume-Uni sur le réseau national changent en fonction de nombreux facteurs différents, y compris l'heure de la journée, la météo, la saison, etc.
Les principaux composants d'un réacteur à fission nucléaire, Wikimedia Commons CC-BY-2.5
Un réacteur à fission nucléaire contient de nombreux éléments importants. La source de combustible nucléaire (uranium, plutonium, thorium, etc.) est contenue dans des barres de combustible qui sont entourées d'un modérateur en graphite. Le graphite entre les barres de combustible ralentit les neutrons émis, ce qui les rend plus susceptibles d' être absorbés par le combustible nucléaire dans une autre barre, ce qui induira un taux plus élevé de fission nucléaire.
Le principal mécanisme qui contrôle la vitesse de la réaction nucléaire en chaîne à l'intérieur du réacteur à fission est constitué par les barres de contrôle. Elles sont généralement constituées d'éléments tels que l'argent ou le bore, qui peuvent facilement absorber les neutrons sans se diviser. Une réaction nucléaire en chaîne peut donc être contrôlée en abaissant ou en élevant ces barres de contrôle. Tu peux ralentir la réaction en abaissant les barres de contrôle plus loin dans le cœur du réacteur. À l'inverse, tu peux augmenter la vitesse de la réaction en retirant progressivement les barres de contrôle. Avec plusieurs barres de contrôle, il est facile de maintenir un contrôle en temps réel du processus de fission.
Leblindage contre les radiations (généralement en béton) est utilisé pour protéger l'environnement extérieur des produits de filiation radioactifs et nocifs des réactions de fission. L'énergie générée par la fission nucléaire dans le réacteur est utilisée pour chauffer l'eau, de sorte que la vapeur puisse effectuer un travail utile en faisant tourner une turbine à vapeur, qui est finalement utilisée pour produire de l'électricité.
Réacteur à fusion nucléaire
Dans une réaction de fusion nucléaire, deux noyaux atomiques sont forcés de se rencontrer et de se combiner en un seul noyau.La différence de masse avant et après la réaction de fusion est directement convertie en énergie. La fusion nucléaire alimente notre soleil, où un nombre presque incalculablede réactions de fusion nucléairese produisent chaque seconde. La différence de masse est ensuite rayonnée sous forme d'énergie.
La fusion nucléaire peut créer d'immenses quantités d'énergie, plusieurs fois supérieures à celles de la fission. Le combustible utilisé dans la fusion est extrêmement abondant et bon marché, contrairement aux éléments radioactifs plus lourds utilisés dans la fission. De plus, aucun des produits de la fusion n'est lui-même radioactif, de sorte qu'une centrale à fusion nucléaire serait une source d'énergie verte et renouvelable. Enfin, un réacteur à fusion nucléaire serait incapable d' avoir une fusion nucléaire même en cas d'erreur humaine, il serait donc beaucoup plus sûr.
Il est donc évident qu'il est possible d'extraire beaucoup d'énergie grâce à la fusion nucléaire. Tu seras peut-être choqué d'apprendre qu'il n'y a actuellement aucun réacteur de fusion nucléaire dans le monde pour produire de l'électricité ! Pour que la fusion se produise, il faut surmonter la force de répulsion entre deux noyaux atomiques chargés positivement. Les deux noyaux doivent être suffisamment proches pour que la force nucléaire soit assez forte pour provoquer la fusion nucléaire. Pour ce faire, il faut un environnement où la température et la pression sont extrêmement élevées, comme à l'intérieur d'une étoile.
La force qui repousse deux noyaux chargés positivement et qui doit être surmontée pour la fusion nucléaire, Wikimedia Commons CC-BY-2.5
Malheureusement, la quantité d'énergie nécessaire pour créer artificiellement cet environnement nécessite plus d' énergie pour être maintenue que ce que nous recevons de la fusion elle-même. Les scientifiques et les ingénieurs ont fait des progrès constants sur ce problème au cours des dernières décennies, mais actuellement, les réacteurs à fusion nucléaire n'existent qu'en tant que technologie expérimentale.
Les scientifiques ont décidé que dans tout futur réacteur à fusion nucléaire, deux isotopes d'hydrogène différents, le deutérium et le tritium, constitueront probablement le combustible. Ce combustible peut fusionner à des températures plus basses que d'autres sources et libère plus d'énergie que beaucoup d'autres réactions de fusion. En outre, le deutérium se trouve facilement dans l'eau de mer et, bien qu'il soit rare que le tritium apparaisse à l'état naturel, il peut être produit artificiellement de manière simple et peu coûteuse.
\[D + T = ^{4}He + n +Energie \text{ ou } ^{2}_{1}H + ^{3}_{1}H = ^{4}_{2}He + n + Énergie\]
Les noyaux de deutérium (D) possèdent chacun 1 proton et 1 neutron, tandis que le tritium (T) contient chacun 1 proton et 2 neutrons. Lorsque le deutérium et le tritium fusionnent, ils se transforment en un noyau d'hélium ordinaire, libérant un seul neutron et une grande quantité d'énergie utile !
La percée de la fusion nucléaire
La fusion nucléaire résoudrait de nombreux problèmes que l'humanité rencontre actuellement en matière de production d'énergie. Contrairement à la fission nucléaire, la fusion nucléaire peut produire de très grandes quantités d'énergie sans générer de sous-produits radioactifs.
Cependant, la fission nucléaire est plus facile à réaliser. Peu d'efforts doivent être faits pour diviser les atomes par rapport aux températures et à la pression nécessaires pour fusionner deux atomes, généralement des atomes d'hydrogène.
Par conséquent, jusqu'à la fin de l'année 2022, les chercheurs devaient injecter dans les réacteurs nucléaires plus d'énergie que celle produite pour une réaction de fusion nucléaire. Cependant, en décembre 2022, dans la National Ignition Facility du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en Californie, une percée dans le domaine de la fusion nucléaire a été réalisée : les chercheurs ont obtenu plus d'énergie de la réaction de fusion que ce qu'ils devaient injecter dans le réacteur.
Même s'il s'agit d'une grande réussite pour l'humanité et le développement de ressources énergétiques plus durables, il reste encore un long chemin à parcourir avant que la fusion nucléaire ne devienne un système de production d'énergie réalisable.
Réacteurs nucléaires - Principaux enseignements
- Le noyau des atomes contient d'immenses quantités d'énergie que nous pouvons utiliser pour produire de l'énergie.
- Les centrales nucléaires produisent moins de déchets que les combustibles fossiles et les déchets radioactifs finissent par se décomposer en substances inoffensives. De plus, elles peuvent produire beaucoup plus d'électricité que les sources d'énergie renouvelables telles que l'énergie solaire, éolienne ou marémotrice.
- L'énergie libérée lors d'une réaction nucléaire est utilisée pour chauffer de l'eau comme dans les autres types de centrales électriques. L'eau chauffée se transforme en vapeur, qui utilise le travail mécanique pour faire tourner une turbine. La turbine produit finalement de l'électricité. La vapeur peut ensuite être refroidie dans un condenseur pour être réutilisée dans le réacteur.
- Dans la fission nucléaire, un noyau atomique plus lourd est divisé en deux noyaux fils. La masse totale des noyaux fils est toujours inférieure à celle du noyau parent. La différence de masse est convertie en énergie.
- Dans la fusion nucléaire, deux noyaux atomiques légers sont forcés de s'assembler pour fusionner en un seul noyau. La masse du noyau résultant est toujours inférieure à celle des deux noyaux d'origine. La différence de masse est convertie en énergie.
- Les réactions nucléaires en chaîne sont utilisées pour diviser plus d'un atome à la fois. Les réactions en chaîne non contrôlées sont utilisées dans les armes et les réactions en chaîne contrôlées sont utilisées dans les centrales nucléaires.
- Les réacteurs à fission nucléaire comportent de nombreuses pièces importantes. Les barres de combustible, les barres de contrôle, le modérateur en graphite et le blindage contre les radiations.
- La fusion nucléaire peut produire plusieurs fois plus d'énergie que la fission nucléaire. Le combustible est abondant et bon marché et le processus ne produit pas de déchets radioactifs. Les centrales à fusion sont également plus sûres que les centrales à fission.
- La fusion nucléaire nécessite un environnement à haute température et à haute pression pour surmonter la force de répulsion entre les deux noyaux positifs.
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