Introduction

L’énergie nucléaire: entre débats émotionnels et incompréhension, il est temps de comprendre réellement ce qu’est l’énergie nucléaire, sous quelles formes nous l’exploitons, et les futurs projets pour faire face aux enjeux environnementaux présents et futurs.

Nous allons d’abord explorer les principes de base de cette énergie en allant regarder comment est constitué un atome et son noyau.

Ensuite, nous explorerons nos techniques d’ingénierie pour exploiter cette énergie.

Et enfin, nous allons comprendre en quoi consiste la fusion nucléaire, ses avantages et ses inconvénients, et les différents projets futurs d’exploitation de cette énergie.

Energie nucléaire: C’est quoi?

La définition d’énergie nucléaire dépend du contexte d’usage. Nous allons nous intéressé à ce qu’est l’énergie nucléaire au niveau des particules.

Un atome est composé d’un noyau et d’électrons gravitant autour. Le noyau est composé de protons et de neutrons. Ces particules se nomment des nucléons. Pour que ces nucléons se maintiennent les uns avec les autres pour former le noyau, une cohésion est présente entre ces derniers.

Atome

L’énergie nucléaire est l’énergie associée à cette cohésion. Nous pouvons imaginer cette cohésion comme un ensemble de cordes qui lient les particules entre elles. Plus ces cordes sont tendues, plus l’énergie de maintient est forte. Libérer de l’énergie nucléaire, revient à libérer l’énergie de cohésion des particules qui composent le noyau de l’atome (nucléons). Relâchez ces cordes tendues qui maintiennent les nucléons et voyez l’énergie qui en ressort!

Mais comment relâcher ces cordes?

Il y’a deux façons pour un atome de libérer de l’énergie nucléaire: par reaction nucléaire ou par radioactivité.

Radioactivité

Nous désignons certains noyaux atomiques comme “instables” lorsque la différence entre le nombre de neutrons et de protons dans le noyau est trop importante. Pour retrouver cette stabilité, le noyau se désintègre en un autre noyau. Cette désintégration émet des particules et de l’énergie. La radioactivité désigne cette désintégration. On dit qu’un atome est radioactif quand il se désintègre spontanément en émettant une quantité d’énergie non négligeable.

Il existe trois différents types de radioactivité: alpha beta et gamma, mais nous les explorerons dans un autre article.

Quand un atome radioactif se désintègre en un autre, en perdant un neutron par exemple, cet atome va devenir, en quelque sorte, une autre version de ce même atome. On appelle cette nouvelle version, un isotope. Deux atomes sont isotopes si ils partagent le même nombre de protons mais leur nombre de neutrons diffèrent.

Isotopes de l’hydrogène

Par exemple, l’atome d’hydrogène possède uniquement un proton. Il existe deux isotopes d’hydrogène: le deutérium et le tritium. Le deutérium possède un neutron et un proton. Le tritium possède 2 neutrons et un 1 proton, ce qui fait de lui un atome radioactif. Si le tritium libère un neutron, il deviendra un atome de deutérium et aura dégagé une forte quantité d’énergie.

Reaction Nucléaire

Contrairement à la radioactivité, une réaction nucléaire intervient avec l’interaction entre un noyau atomique et une autre particule quelconque. Une reaction nucléaire donne une configuration nucléaire plus stable. Chaque reaction nucléaire libère un certaine quantité d’énergie.

Il y’a deux types de réaction nucléaire: la fission et la fusion.

Fission

La fission nucléaire se déroule lorsqu’un neutron percute le noyau d’un atome et que ce noyau se scinde en deux noyaux plus légers. Durant cette fracture, sont libérés une importante quantité d’énergie et plusieurs neutrons. C’est cette énergie que nous exploitons au sein de nos réacteurs nucléaires.

Au sein d’un réacteur, un neutron est envoyé à grande vitesse sur un atome d’uranium 235. Cet atome - étant instable - se fragmente libérant une grande quantité d’énergie accompagnée de neutrons. Ces neutrons vont en suite heurter de nouveaux atomes d’uranium 235 qui vont à leur tour se scinder. Une reaction en chaine est enclenchée.

Fission

Cette réaction en chaine produit beaucoup d’énergie sous forme de chaleur, qui va chauffer de l’eau liquide en vapeur, alimentant une turbine pour produire de l’électricité. Simple n’est ce pas?

Pour la fusion, nous voulons aussi exploiter la chaleur de la reaction, mais cette chaleur n’est pas aussi simple à obtenir.

Fusion

La fusion, c’est combiner deux atomes légers en un seul noyaux lourd. Mais comment de l’énergie peut-elle être produite durant cette réaction?

Vous avez surement déjà entendu parlé de la formule:

$$e = mc² $$

$$e: énergie \ m: masse \ c: vitesse \ de\ la\ lumière$$

Utilisons cette formule pour comprendre le principe de base de la fusion.

Nous savons que la masse d’un noyau atomique est inférieure à la somme des masses des nucléons qui le composent. Comment est-ce possible? Si nous construisons un mur avec 3 briques, la masse du mur sera égale à la somme des masses des briques, en l’occurence 3 briques.

Ce n’est pas le cas à l’échelle atomique. Cette différence entre la masse du noyau et la masse des nucléons qui le composent est appelée défaut de masse.

C’est ce défaut de masse que nous allons exploiter en combinant deux noyaux légers en un noyau lourd. Ce dernier représente en réalité l’énergie de liaison qui sera libérée sous forme d’énergie cinétique. Durant la fusion des atomes, les collisions entre particules dégradent les l’énergie cinétique en énergie thermique, et c’est cette abondante chaleur que nous voulons exploiter au sein d’un réacteur.

Défaut de masse

La quantité d’énergie pour fusionner deux atomes est très importante. Pour que deux noyaux puissent se combiner, il faut qu’ils surmonte la répulsion électrique entre eux, due à leur charge positive respective. Surmonter cette barrière requiert énormément d’énergie sous la mécanique classique. Heureusement, la mécanique quantique (l’infiniment petit), nous a montré que cette barrière peut être franchie par effet tunnel. Cet effet, uniquement observable par la mécanique quantique, stipule qu’une particule peut traverser un obstacle suffisamment fin, avec une énergie plus petite que l’énergie minimale pour franchir l’obstacle.

Effet tunnel

Cette logique est complètement contre intuitive et montre des complexités quantiques que nous n’allons pas aborder ici pour des raisons évidentes…

Notons juste que grâce à cet effet barrière, la quantité d’énergie pour fusionner deux atomes est plus petite que prévu. Mais elle rest néanmoins très importante.

Nous avons donc besoin, pour fusionner deux atomes, une environnement sous haute pression et température. Quel atome nécessite le moins de température et de pression pour se fusionner? Il faut que le rendement énergétique de la reaction soit positif: autrement dit, que l’on utilise moins d’énergie que l’on en produit.

Comme vu avant, les atomes avec un défaut de masse important vont dégager une forte quantité d’énergie si on libère cette énergie de liaison.

Mais nous devons aussi être capable de fusionner ces atomes. Pour cela, nous utilisons des atomes aux noyaux légers avec un défaut de masse important, comme l’hydrogène.

Energie de liaison vs masse

Sur notre Soleil, les réactions de fusion consistent à la fusion de 4 noyaux de protium en un noyau d’hélium 4. C’est la réaction de fusion la plus exothermique, mais elle demande des conditions de pression et de température que nous trouvons uniquement à la surface du Soleil et que nous aurions trop de mal à répliquer sur Terre.

Une reaction plus réalisable de fusionner deux atomes de deutérium en un atome d’hélium et un neutron dégagé, notée si dessous. L’avantage de cette réaction est l’absence de radioactivité dans le produit final.

$$^2 _1D+ ^2 _1D⟶ ^3 _2He(0,82 MeV)+ ^1_0n(2,45 MeV)$$

De plus, le deutérium est très abondant dans nos mers. En effet, un mètre-cube d’eau de mer, contient 33 grammes de deutérium, extractable par electrolyse.

Deutérium abondant dans la mer

Mais cette réaction ne dégage pas beaucoup d’énergie comparé à la fusion d’un atome de deuterium et de tritium, comme nous pouvons voir noté ci dessous:

$$ ^2_1D + ^3_1T \longrightarrow ^4_2He (3,52MeV) + ^1 _0n (14,1MeV) $$

Reaction de fusion de deutérium et de tritium

Nous savons que nous avons du deuterium en quantité (quasi) illimitée. Mais qu’en est-il du tritium? Le réel problème se situe dans l’obtention du tritium.

Le tritium n’est pas présent dans la nature et la seule façon d’en avoir suffisamment est de bombarder un neutron sur un atome de Lithium 6, un isotope du Lithium qui est très peu présent dans la nature.

Equation de la reaction de fusion de deutérium et de tritium

L’idée est donc d’utiliser le neutron crée dans la fusion d’un deuterium et d’un tritium, et de le mettre en contact avec un atome de lithium 6 pour produire du tritium.

Il y’a deux problèmes qui surviennent:

On utilise donc la fusion pour produire du tritium. Mais comment faire si nous n’avons pas de tritium à la base pour enclencher la réaction de fusion?
La technologie utilisée pour produire ce tritium dénommée “breeding blanket” (couverture de reproduction littéralement en anglais) est encore très chère et donc moins de 1% des surfaces intérieure d’un dispositif pour la fusion en sont recouvertes.
Le lithium 6 est très peu abondant dans la nature. Il représente 7.8 % du stock global de lithium dans le monde.

Le problème de l’approvisionnement du tritium et du lithium 6 est un des plus gros défis de la fusion nucléaire. Beaucoup de recherches restent encore très actives sur ces sujets comme des propositions de séparation de lithium intégrée aux systèmes afin de pouvoir utiliser le lithium 7, encore très abondant dans la nature.

La fusion nucléaire présente encore de multiples défis avant de pouvoir être industrialisée. Mais ces défis sont résolubles et la recherche dans le domaine reste très active. La fusion nucléaire est une des sources énergétiques les plus plausibles pour remplacer le pétrole dans le prochain centenaire, en terme de quantité, mais aussi de propreté. Les emissions de gaz à effet de serre reste très basse par rapport à la quantité d’énergie produite.Mais il faudra encore attendre que la recherche scientifique résolve ses différents problèmes.