Structure de l’atome, fission nucléaire et réacteur à fission – WUS#21

Avez-vous entendu parler d’ITER ? Il s’agit d’un grand projet de production d’énergie par fusion nucléaire. On va essayer de comprendre ce que cela signifie ! Deux billets seront consacrés à la production de l’énergie nucléaire. Aujourd’hui, on parle structure de l’atome et fission nucléaire. En route !

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Vu en coupe du tokamak ITER, issu de ITER.org

La structure de l’atome

Avant de se lancer dans l’explication de ce qu’est ITER, ce gros appareil, je vais faire quelques rappels à propos de la structure atomique afin d’expliquer les différents mécanismes mis en jeu dans les réactions nucléaires. Car c’est bien de physique nucléaire qu’il s’agit. Nucléaire c’est-à-dire mettant en jeu des noyaux atomiques.

On a déjà parlé des atomes dans le billet sur les états de la matière, mais très peu de leur structure interne. Donc voici les bases, que vous connaissez peut-être déjà : un atome est constitué d’un noyau central, et d’électrons « gravitant » autour.

Noyau

Le noyau atomique, d’une taille d’environ 10-15 mètres (soit 100 000 fois moins que la taille de l’atome) est formé par des protons (particules portant une charge électrique positive) et des neutrons (particules neutres électriquement). L’ensemble protons+neutrons est appelé nucléons. Le nombre de protons est un paramètre essentiel déterminant les caractéristiques de l’atome. En effet, le nombre de protons aussi appelé numéro atomique définit l’élément chimique auquel on a affaire. Par exemple l’atome d’oxygène a 8 protons, l’atome de cuivre en a 29.

Vous savez peut-être que les particules de même charge se repoussent. Dans ce cas, c’est le moment de trouver étonnant que le noyau atomique soit stable, puisqu’il est (sauf dans le cas de l’hydrogène) constitué de plusieurs protons. Pourquoi ne se repoussent-ils pas ? En fait cela est dû à ce qu’on appelle l’interaction forte, qui assure la cohésion du noyau en maintenant une attraction très importante entre protons, et ce uniquement à très courte portée. Il s’agit d’une interaction différente de l’interaction électromagnétique, qui reste prédominante lorsque la distance entre protons est plus importante.

Électrons

Un atome est neutre électriquement, c’est-à-dire qu’il comporte autant d’électrons que de protons (chacun portant la même charge élémentaire avec un signe opposé).

Il faut savoir qu’à ces échelles minuscules, il est nécessaire de faire des calculs quantiques pour décrire précisément le comportement des électrons. Bien qu’on puisse souvent considérer le noyau (beaucoup plus lourd que les électrons) comme une particule classique (c’est ce qu’on appelle l’approximation de Born-Oppenheimer), les électrons sont en revanche trop petits et trop légers pour qu’on puisse leur appliquer des équations classiques. Une description quantique est donc nécessaire, et encore celle-ci étant très compliquée, on est amené dans la grande majorité des cas de faire des approximations pour aboutir à un résultat. Par exemple, plutôt que de calculer la force qui s’exerce sur un électron en l’exprimant comme la somme des forces exercées par toutes les particules chargées autour d’elle, on écrit plutôt qu’elle est soumise à un « champ moyen » (ce qui simplifie les calculs mais demande d’exprimer correctement ce terme).

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Un schéma très très simplifié de la structure atomique

Bref, il faut retenir que les électrons n’ont pas de trajectoire à proprement parler. Ce n’est pas comme une planète qui tourne autour du Soleil, c’est pour ça que la dénomination « électrons qui gravitent » est en fait abusive. L’image qu’on voit souvent de l’atome avec un noyau et trois électrons qui tournent autour suivant des lignes définies est trompeuse. En revanche, on peut dire que l’électron, selon son énergie, a plus de chances de se trouver dans certaines zones préférentielles autour du noyau, zones déterminées par ce qu’on appelle les orbitales atomiques. Plutôt que de trajectoire on parle de densité de probabilité de présence (nuance !). Il s’agit d’une difficulté conceptuelle propre à la théorie quantique.

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Graphe montrant les différentes densités de probabilité de présence de l’électron de l’atome d’hydrogène. Il s’agit d’un des seuls cas pour lesquels on peut les calculer de manière exacte, du fait de la structure très simple de l’atome d’hydrogène (un proton, un électron). Les indices en bas de chaque image correspondent aux différents nombres quantiques intervenant dans la résolution du problème, et donc aux différents paramètres déterminant la densité de probabilité.

Réactions nucléaires

Il existe toute une branche de la physique qui consiste à étudier les interactions entre noyaux atomiques. C’est ce qu’on appelle la physique nucléaire.

Il y a différents types d’interactions, ou plus généralement de réactions nucléaires.

– des collisions qui modifient la trajectoire des noyaux sans modifier leur état interne. On parle alors de diffusion.
– des désintégrations radioactives, lors desquelles un noyau émet une ou plusieurs particules. On y reviendra dans un prochain billet !
– des réactions de fission ou de fusion, dont on va parler en détails !

Fission nucléaire

L’histoire de la découverte de la fission nucléaire est tout à fait passionnante et fortement liée à l’histoire du monde du vingtième siècle. Le phénomène a été découvert en 1938 par Otto Hahn, Fritz Strassmann, deux chimistes allemands, et Lise Meitner, physicienne autrichienne obligée de quitter leur laboratoire de Berlin car étant juive. Lise Meitner et son neveu Otto Frisch font part à Niels Bohr en 1939 de leur interprétation de ce phénomène, qui leur promet de ne pas la divulguer afin de leur laisser la paternité du résultat. Mais il en parle à son ami Léon Rosenfeld, physicien belge, puis la nouvelle se répand et prend de l’ampleur très rapidement, incitant de nombreux laboratoires à faire des expériences pour étudier le processus. Déjà l’idée qu’il puisse y avoir une réaction en chaîne est évoquée, laissant entendre la possibilité de la création de « bombes d’un nouveau type et extrêmement puissantes », comme l’écrira quelques mois après Albert Einstein au président Franklin Delano Roosevelt dans la lettre dite Einstein-Szilard qui donnera naissance au projet Manhattan.

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La fameuse lettre

Qu’est-ce que la fission nucléaire ? Il s’agit de la réaction par laquelle un noyau lourd se divise en deux noyaux plus légers et quelques neutrons. Cette réaction dégage une grande énergie. On parle de noyau lourd pour dire qu’il contient un grand nombre de nucléons (sa masse est de ce fait importante). Les éléments standards pour la réaction de fission sont l’uranium et le plutonium.

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Dans le cas de l’uranium 235 par exemple (qui contient 235 nucléons), on envoie un neutron sur le noyau atomique, qui l’absorbe alors et l’excite. En effet le noyau comprend désormais un neutron de plus – il reste un noyau d’uranium puisque le nombre de protons est conservé, il s’agit alors d’uranium 236, et on parle alors d’isotope. De plus l’énergie absorbée par le noyau le met dans un état excité, c’est-à-dire qu’il y a un surplus d’énergie. Un état excité est peu stable puisque le noyau tend à minimiser son énergie et donc à retrouver son niveau d’énergie fondamental. Le surplus d’énergie peut être dissipé par rayonnement, ou bien l’énergie du noyau franchit le seuil de fission et se divise en deux autres noyaux, par exemple le Xénon 140 et le Strontium 94, et deux neutrons sont émis (il y a bien sûr conservation du nombre de neutrons). Lorsque le noyau se divise, l’énergie utilisée pour maintenir les nucléons ensemble est donc en partie libérée, et cette énergie de liaison est alors convertie en énergie cinétique : les noyaux créés ont une grande vitesse.

Réacteur nucléaire à fission

Dans un réacteur nucléaire, ces noyaux très rapides interagissent alors avec le matériau environnant, et après collisions et chocs avec cette matière ils sont ralentis et leur énergie se transforme en énergie thermique. La chaleur ainsi produite peut permettre par exemple de transformer de l’eau en vapeur, et cette vapeur va actionner une turbine qui en tournant va permettre de générer de l’électricité via un alternateur. C’est le principe de fonctionnement des centrales nucléaires, à ceci près que les réacteurs sont faits de sorte à pouvoir réutiliser les neutrons émis et ainsi faire une réaction en chaîne qui puisse réitérer le processus de fission. On s’efforce de favoriser les réactions en ralentissant les neutrons via des matériaux dits « modérateurs », puisque la probabilité de fission est d’autant plus importante que le neutron est lent.

Fonctionnement d'un réacteur nucléaire
Fonctionnement d’un réacteur nucléaire

Attention toutefois à ne pas trop laisser augmenter le nombre de neutrons, la réaction ne doit pas s’amplifier indéfiniment, l’énergie deviendrait trop importante, d’où la nécessité d’un pilotage de la réaction en chaîne. Sinon on obtient quelque chose d’assimilable à une bombe A. On utilise pour cela un matériau absorbant les neutrons. On fabrique ainsi des barres de contrôle en cadmium, en bore, en gadolinium. On contrôle ainsi la réaction en jouant sur l’introduction et le retrait des barres de contrôle dans le réacteur.

Après la réaction de fission, les corps chimiques résultant (appelés produits de fission) sont souvent des isotopes radioactifs dégageant un rayonnement gamma intense et une forte chaleur. Ces déchets nucléaires sont tout d’abord refroidis dans le réacteur (pour éviter que la trop forte chaleur fasse fondre l’intérieur du réacteur) puis transférés dans une piscine où ils restent quelques années. La durée de vie des déchets radioactifs est principalement de l’ordre de 5 à 100 ans. Une fois que le niveau de radioactivité est suffisamment faible, la matière restante est évacuée, retraitée ou stockée.

Conclusion

On a donc vu le principe de la fission nucléaire et son utilisation pour la production d’énergie dans les réacteurs nucléaires. Cependant elle présente des inconvénients : risque d’une réaction en chaîne mal contrôlée et formation de déchets nucléaires radioactifs. C’est pourquoi d’autres pistes existent pour la production massive d’énergie via des réactions nucléaires, notamment l’utilisation du mécanisme de fusion nucléaire. C’est le but d’ITER ! Mais on en parlera dans le prochain billet… Rendez-vous dans la partie 2 : fusion nucléaire, tokamak et ITER !

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