Énergie de fission

L'énergie nucléaire : Fission et fusion

L'énergie nucléaire est produite par la fission ou la fusion nucléaire.

Dans la fission nucléaire, le noyau d'un atome est divisé en noyaux plus petits. Ce processus libère de l'énergie qui peut être exploitée pour produire de l'électricité et de la chaleur.

La fusion nucléaire, quant à elle, consiste à réunir deux noyaux de deux atomes, pour former un noyau plus gros en un seul atome. Ce processus libère également de l'énergie, mais il n'a pas encore été exploité avec succès à des fins commerciales.

Lafission et la fusion nucléaires sonttoutes deux des sources d'énergie respectueuses de l'environnement, car elles ne produisent que peu ou pas d'émissions de gaz à effet de serre. Cependant, les centrales nucléaires (fission) génèrent des déchets radioactifs, qui doivent être gérés avec soin pour éviter la contamination de l'environnement. De plus, la mise en service et le démantèlement des installations nucléaires prennent beaucoup de temps (jusqu'à 30 ans !). En outre, les minerais nucléaires sont des ressources épuisables.

Spectre d'énergie des neutrons de fission

L'énergie nucléaire de fission provient de la collision d'un neutron libre (une particule subatomique) avec un atome (un ensemble de particules subatomiques). Lors de la fission nucléaire, un noyau se divise en deux noyaux plus petits et libère de l'énergie sous forme de photons et de neutrons .

Ces neutrons doivent avoir une énergie supérieure à une certaine valeur (mesurée en mégaélectronvolts, ou MeV) pour produire des réactions. Les neutrons qui en résultent produisent deux principaux types d'énergie :

• cinétique (mouvement) - neutrons rapides

• thermique (chaleur) - neutrons lents

Plus précisément, pour provoquer la fission, le neutron doit avoir suffisamment d'énergie pour surmonter la répulsion électrostatique entre les protons du noyau. Pour ce faire, il faut soit :

• en bombardant le noyau avec des neutrons de haute énergie (fission thermique)

• en utilisant des neutrons de plus faible énergie qui sont des modérateurs pour ralentir les neutrons avant qu'ils ne frappent le noyau(fission rapide).

Une fois la fission provoquée, le noyau résultant sera très instable et se désintègrera souvent rapidement, libérant des neutrons supplémentaires qui peuvent provoquer la fission d'autres noyaux, ce qui entraîne une réaction en chaîne auto-entretenue.

Nous pourrions également diviser la fission en deux régions : la région de l'énergie des photons et la région de l'énergie des particules. La zone d'énergie des photons comprend des énergies telles que le rayonnement gamma. Larégion énergétique des particules est déterminée par l'énergie cinétique maximale de la particule chargée la plus lourde émise lors de la réaction, telle qu'une particule alpha^.2

Le spectre énergétique de ces neutrons de fission est important pour comprendre le processus de fission et pour des applications telles que la conception des réacteurs et la transmutation des déchets nucléaires.

Le spectre énergétique des neutrons de fission peut également être divisé en trois régions:

• rapide

• thermique

• épithermique

Les neutrons defission prompts sont libérés avec des énergies allant jusqu'à environ 2 MeV ; ils sont produits par la désintégration de noyaux excités créés lors du processus de fission^.3

Les neutrons defission thermiques sont émis avec des énergies allant jusqu'à environ 0,5 eV ; ils résultent du mouvement thermique des noyaux dans le système de fission.

Les neutrons defission épithermiques ont des énergies allant jusqu'à environ 10 keV ; ils sont produits par la diffusion des neutrons dans le système de fission. Chaque région du spectre énergétique des neutrons de fission possède des caractéristiques différentes qui affectent le processus de fission et ses applications.

L'énergie libérée par la fission peut être exploitée à des fins pacifiques et militaires. Dans les centrales nucléaires, la fission est utilisée pour produire de l'électricité, tandis que dans les armes nucléaires, elle est utilisée pour créer une force explosive.

L'extraction de ces ressources

Le thorium et l'uranium doivent être extraits du sous-sol. L'extraction de l'uranium et du thorium consiste en des processus d'extraction minière et de concentration.

L'adsorption sur polymère consiste à faire passer de l'eau ou de l'air à travers un lit de billes de polymère, et l'uranium ou le thorium contenus sont adsorbés à la surface des billes. L'uranium et le thorium peuvent également être extraits de gisements de phosphate ou de cendres de charbon (un sous-produit de la combustion du charbon).

Avantages et inconvénients de l'énergie de fission

Comparée aux combustibles fossiles comme le charbon, la fission nucléaire est une source d'énergie plus propre. Elle ne produit pas de gaz à effet de serre ni de pollution atmosphérique pendant son fonctionnement.

Avantages

La fission nucléaire est un moyen efficace de produire de l'électricité. Un réacteur nucléaire peut produire la même quantité d'électricité que plusieurs centrales à charbon. Un autre point fort est qu'il s'agit d'une source d'énergie fiable. Les énergies renouvelables telles que le vent et le soleil ont tendance à être intermittentes, alors qu'une centrale nucléaire est entièrement contrôlable et prévisible en termes de tempérance et de production d'énergie.

Un autre aspect intéressant est que la fission nucléaire est une source d'énergie évolutive, ce qui signifie qu'elle peut être construite pour répondre à des demandes croissantes d'électricité. Bien qu'à l'heure actuelle, l'uranium, le thorium, etc. récoltés ne puissent pas être extraits à 100 %, les capacités d'extraction de l'énergie des minerais radioactifs s'améliorent.

Cependant, la fission nucléaire présente aussi des inconvénients.

Inconvénients

Tout d'abord, l'énergie nucléaire provient de minerais radioactifs, qui ne sont pas renouvelables. Ce qui existe dans notre croûte terrestre a été créé lors de l'exhalaison primordiale de l'Univers ! Nous sommes capables de fabriquer ou d'exploiter diverses formes de radio-isotopes (la plupart des éléments peuvent être rendus radioactifs par radioactivité induite), mais nous avons toujours besoin de matières premières d'uranium ou de thorium.

Le premier inconvénient majeur pour la société est le risque d'accident nucléaire.

Bien que les accidents soient rares, les fusions et les fuites d'isotopes radioactifs signifient qu'ils peuvent être emportés par les éléments, tels que le vent et l'eau, sur de grandes distances.

La peur ou les risques réels d'accidents nucléaires peuvent avoir des effets néfastes sur les citoyens, surtout lorsque les mesures pour contenir les matières radioactives en cas d'accident ne sont pas faciles à prendre.

Leslimites du réseau énergétique sont essentielles pour fournir des sources à haute densité énergétique à la population générale. Si le réseau énergétique est vieux et ne peut pas supporter une forte charge d'électricité, la production d'énergie élevée devient futile car elle ne peut pas être transportée vers une source qui souhaite l'utiliser.

Un autre inconvénient est que les déchets nucléaires peuvent être difficiles et coûteux à stocker en toute sécurité.

Enfin, la prolifération nucléaire est un sujet de préoccupation car la technologie nécessaire à la fabrication d'une arme nucléaire peut également être utilisée pour construire une centrale nucléaire.

Malgré ces inconvénients, la fission nucléaire est une source d'énergie efficace qui a de nombreuses applications potentielles. Elle réduit considérablement la dépendance excessive à l'égard des combustibles fossiles plus polluants tels que le charbon.

Utilisations de l'énergie de fission nucléaire

Les réactions de fission nucléaire sont soigneusement contrôlées dans les centrales nucléaires afin qu'elles ne se transforment pas en explosions nucléaires. Dans une centrale nucléaire typique, des barresde combustible nucléaire sont insérées dans un réacteur, qui est ensuite rempli d'eau. Lorsque le réacteur est allumé, les réactions nucléaires se produisent et génèrent de la chaleur, qui est utilisée pour créer de la vapeur^.5 La vapeur fait tourner des turbines, qui produisent de l'électricité. Les centrales nucléaires peuvent fournir une grande quantité d'électricité au réseau, mais elles présentent également certains risques. Si les réactions nucléaires ne sont pas soigneusement contrôlées, elles peuvent entraîner des accidents nucléaires, comme celui qui s'est produit à Tchernobyl en 1986.

L'énergie nucléaire peut être utilisée pour produire de l'électricité et propulser des engins spatiaux, ou pour alimenter des armes nucléaires et de puissantes explosions. En outre, la fission nucléaire peut être utilisée à des fins médicales, comme le traitement du cancer.

Si elle n'est pas correctement contrôlée, la fission nucléaire peut entraîner un accident nucléaire, qui peut libérer des radiations nocives dans l'environnement.

Quantité d'énergie dans la fission

La quantité exacte d'énergie libérée par la fission dépend des noyaux impliqués. Les produits de la réaction peuvent être divers. Les formules ci-dessous montrent que l'uranium 235 peut produire du Ba (baryum), du Kr (krypton), du Zr (zirconium), du Te (tellure), etc. Le terme "n" fait référence aux neutrons.

Le plutonium 239 et le thorium 232 sont également utilisés dans les processus de fission, mais le thorium se trouve naturellement en plus grande quantité. Certains de ces éléments sont créés par l'homme, tandis que d'autres se trouvent naturellement dans la Terre. En général, les sources naturelles sont l'uranium, le thorium et leurs éléments de désintégration comme le radon, tandis que le plutonium ou le césium sont fabriqués par l'homme, créés dans les réacteurs nucléaires ou comme sous-produits dans la nature à la suite d'explosions.

Des pays du monde entier, comme la France, choisissent d'exploiter des centrales nucléaires. Il ne fait aucun doute que la fission nucléaire joue un rôle important dans la fourniture d'électricité à la population et aux activités économiques. C'est actuellement l'une des rares alternatives énergétiques aux combustibles fossiles, qui peut nous aider à atteindre les objectifs de prévention du changement climatique !