La production d’électricité à partir de l’énergie nucléaire Constitution de l’atome et du noyau. Stabilité du noyau. Radioactivité. La fission nucléaire. L’uranium. La centrale nucléaire. Les déchets radioactifs. Le nucléaire en Belgique et dans le monde. Bombe atomique.

Composition des atomes Un atome est constitué: D’un noyau contenant: Des protons porteurs d’une charge positive Des neutrons électriquement neutres D’électrons qui gravitent autour du noyau Les électrons portent une charge négative Les charges électriques des électrons et des protons sont de même valeur. Un atome dans son état normal comporte le même nombre de protons et d’électrons. Il est donc électriquement neutre. Le nombre de protons (nombre atomique: Z) est caractéristique de l’élément et détermine sa place dans le tableau de Mendéléev. Exemples: Hydrogène: 1 proton Oxygène: 8 protons Fer: 26 protons Uranium: 92 protons

La masse de l’atome est presque totalement concentrée dans le noyau. Masse des atomes Masse du neutron: 1,675 ×10-27 kg Masse du proton: 1,673 ×10-27 kg Masse de l’électron: 9,1×10-31 kg Les neutrons et protons sont donc environ 2000 fois plus lourds que les électrons. La masse de l’atome est presque totalement concentrée dans le noyau.

Dimension des atomes Diamètre de l’atome: environ 10-10 m Diamètre du plus gros noyau: environ 10-14 m Le plus gros noyau est environ 10.000 fois plus petit que l’atome. Comme une mouche (1 cm) au centre d’un terrain de football (100 m). Un noyau est donc pratiquement rempli de vide. Une mole de matière (7 cm³ de Fe) contient 6 1023 atomes (ou molécules). Peut-être plus que le nombre de grains de sable sur la Terre !!

Le noyau proton neutron Le noyau est constitué de nucléons: les protons et les neutrons Z est le nombre de protons (nombre atomique) N le nombre de neutrons A le nombre de nucléons (nombre de masse) A = N + Z Un noyau comportant un nombre donné de protons de neutrons s’appelle un nucléide. La notation standard d'un noyau indique le symbole chimique (X), Z et A: ( Z peut être omis) Noyau de carbone 14 comportant: 14 nucléons: 6 protons et 8 neutrons. Noyau d’uranium 238 comportant: 238 nucléons: 92 protons et 146 neutrons.

Dans la nature le noyau le plus lourd est celui de l’uranium (Z = 92) Les isotopes Des isotopes sont des noyaux qui ont le même nombre atomique Z. des nombres de masse A différents. Ils ont le même nombre de protons et des nombres de neutrons différents. Ils ont les mêmes propriétés chimiques. sont les isotopes du calcium. sont les isotopes de l’hydrogène. Dans la nature le noyau le plus lourd est celui de l’uranium (Z = 92) Quelques-uns, plus lourds, sont produits artificiellement, ex: le plutonium (Z = 94)

Les forces à l’intérieur du noyau La force électrique: Force répulsive qui s’exerce entre les protons. Les neutrons ne sont pas soumis à cette force. Sa portée est très grande, elle s’exerce entre tous les protons d’un noyau. n p La force nucléaire: Force attractive qui s’exerce entre tous les nucléons. Cette force attractive est beaucoup plus grande que la force électrique répulsive. Elle assure la cohésion du noyau. Sa portée est faible: au-delà de 4 10-15 m ( moins que le diamètre d’un gros noyau) elle n’agit plus. n p A l’intérieur d’un noyau ces deux forces sont en compétition. Entre protons voisins, la force nucléaire attractive l’emporte. Entre protons éloignés, la force électrique répulsive l’emporte. Les neutrons insensibles à la force électrique renforcent la cohésion du noyau.

Le problème du neutron Le neutron isolé est une particule instable. Au bout de quelques minutes il se désintègre en: Un proton Un électron Un neutrino (petite particule neutre de masse quasi nulle) A l’intérieur d’un noyau, le neutron devient stable grâce à la présence des protons en place, car il n’a pas l’énergie suffisante pour fabriquer un nouveau proton soumis aux forces répulsives des autres. Cependant si les neutrons sont trop nombreux dans le noyau, certains d’entre eux peuvent perdre cette protection et se désintégrer à l’intérieur du noyau. Le proton formé reste dans le noyau. L’électron est éjecté à grande vitesse: c’est la radioactivité béta (ß). Le neutrino est éjecté.

La stabilité du noyau (1) La cohésion d’un noyau est assurée par la force nucléaire qui s’exerce entre nucléons. Cette force s’exerce entre nucléons voisins, sa portée est faible. Pour des protons assez distants à l’intérieur du noyau, c’est la force de répulsion électrique qui l’emporte. A cause de cette force, des noyaux trop gros ne peuvent subsister. La présence de neutrons à l’intérieur d’un noyau contribue à le stabiliser. Les neutrons exercent une force d’attraction sur des nucléons voisins Ils ne sont pas soumis à la répulsion électrique des protons « éloignés ». Plus le noyau est gros, plus la proportion de neutrons doit être grande. carbone-12: 6 protons, 6 neutrons (50 % de neutrons) fer-56: 26 protons, 30 neutrons (54 % de neutrons) plomb-207: 82 protons, 125 neutrons (60 % de neutrons) Au-delà de Z=84 (Bismuth) tous les noyaux sont instables.

La stabilité du noyau (2) Les neutrons, instables quand ils sont isolés, sont stables dans le noyau, grâce au voisinage des protons, à condition que leur proportion par rapport aux protons ne soit pas trop grande. Les noyaux ayant trop de neutrons sont instables.

Les trois principaux types de radioactivité sont: La radioactivité Libération d'énergie sous la forme de particules ou de rayons gamma provoquée par la désintégration du noyau instable d'un atome. Les substances radioactives se transforment ainsi en d'autres éléments chimiques, qui peuvent être, aussi, radioactifs. Les trois principaux types de radioactivité sont: La radioactivité alpha (α) La radioactivité bêta moins (β-) La radioactivité gamma (γ)

La radioactivité alpha (α) Elle est produite par les noyaux qui sont instables parce qu’ils sont trop gros (Z > 84) Le rayonnement α est constitué d’une particule formée de 2 protons et de 2 neutrons ( ) Elle est éjectée du noyau. proton neutron Une particule α Vitesse de la particule α : entre 10.000 et 20.000 km/s

La radioactivité bêta (β) Elle est produite par les noyaux qui sont instables parce qu’ils ont un ou plusieurs neutrons en excès. Un neutron en excès se transforme en: Un proton qui reste dans le noyau. Un électron qui est éjecté du noyau. Le rayonnement β est constitué d’ un électron. Vitesse de la particule β : plus de 270.000 km/s.

La radioactivité gamma (γ) Les rayons γ sont des rayonnements électromagnétiques. (Comme les micro-ondes, la lumière, les rayons X….) Leur longueur d’onde est la plus courte de tous les rayonnements électromagnétiques ( < 5 10-12 m ). Ils sont souvent produits en même temps que les rayonnements α et β quand le noyau formé a un excès d’énergie.

Pouvoir pénétrant Parcours dans l’air: α : quelques centimètres. Le rayonnement γ est le plus pénétrant et donc le plus dangereux. Rayonnement β : pouvoir pénétrant moyen. Rayonnement α : pouvoir pénétrant faible. Parcours dans l’air: α : quelques centimètres. β : quelques mètres. γ : plusieurs centaines de mètres.

Effets biologiques des rayonnements Vomissements Perte de cheveux Brûlures Cancers Mutations génétiques ………..

Période radioactive Iode – 131: 7,6 jours Cobalt – 60: 5,26 ans La période d’un isotope radioactif est le temps nécessaire pour que la moitié de ses noyaux se désintègrent naturellement. Après 2 périodes, le nombre de noyaux est divisé par 4. Après 3 périodes, le nombre de noyaux est divisé par 8. Après 4 périodes, le nombre de noyaux est divisé par 16. …….. Iode – 131: 7,6 jours Cobalt – 60: 5,26 ans Strontium – 90: 28 ans Carbone – 14: 5730 ans Plutonium - 239: 24.000 ans Uranium - 238 : 4,5 milliards d’années

Les noyaux fissiles sont principalement: l’U 235 le Pu 239 La fission nucléaire Autre forme d’instabilité d’un noyau: un noyau lourd se sépare en 2 noyaux plus petits avec émission de neutrons. Elle peut-être spontanée ou induite par un neutron. Fission induite: le noyau fissile capture un neutron se casse en deux noyaux plus petits émet deux ou trois neutrons secondaires Exemple de fission de l’U 235 Les noyaux fissiles sont principalement: l’U 235 le Pu 239

L’énergie de fission L’énergie de la fission est contenue, principalement, dans: L’énergie cinétique des 2 fragments L’énergie cinétique des neutrons L’énergie du rayonnement γ L‘ énergie cinétique des fragments et des neutrons se transforme en chaleur, par les collisions avec les atomes de la matière traversée.

Réaction en chaîne Chaque neutron émis peut produire la fission d’un autre noyau qui émet des neutrons pouvant produire d’autres fissions et ainsi de suite…

Conditions pour obtenir une réaction en chaîne Une concentration suffisante de noyaux fissiles. Sinon les neutrons sont absorbés par les autres noyaux de l’échantillon. Une masse suffisante de matériau (masse critique) Sinon trop de neutrons sortent de l’échantillon. Un ralentissement (éventuel) des neutrons secondaires produits. Car les neutrons trop rapides peuvent difficilement être captés par les noyaux fissiles.

L’uranium L'uranium a été découvert en 1789 dans la pechblende, un minerai d’ oxyde d’uranium (UO2). Ce nom a été choisi en référence à la planète Uranus découverte en 1781. L’uranium naturel est composé presque entièrement de 2 isotopes: 99,3 % d’U-238 (non fissile) 0,7 % d’U-235 (fissile) L’uranium est radioactif α . A la suite de désintégrations successives, il se transforme en plomb. En passant notamment par le radium, le radon, le polonium… Pour pouvoir être utilisé dans les centrales, l’uranium naturel doit, dans la plupart des cas, être enrichi en U-235 (3,5 % , minimum)

La centrale nucléaire PWR de Tihange (Pressurised Water Reactor) La centrale de Tihange comporte 3 réacteurs d’une puissance d’environ 1000 MW chacun.

La centrale nucléaire PWR (Pressurised Water Reactor)

Elle est enfermée dans une double enceinte de confinement en béton. Le réacteur nucléaire Le réacteur de Tihange 1 est constitué d'une cuve de 270 tonnes dont les parois, en acier inoxydable, sont épaisses de 25 cm. Elle est enfermée dans une double enceinte de confinement en béton.

Le réacteur nucléaire Le combustible Il est assemblé en long tubes (ou crayons) de 4 m, en zirconium, maintenus ensemble par des grilles de support. Ces crayons contiennent des pastilles de combustible empilées. Le combustible est de l'oxyde d'uranium ou un mélange d’oxyde d'uranium et de plutonium (le MOX). Un crayon contient environ 300 pastilles d’une masse totale d’environ 2 kg. La fission d’un gramme d’uranium libère autant d’énergie que la combustion de 2,5 tonnes de charbon. Un réacteur de 1 MW peut comporter, par exemple: 177 assemblages de 264 crayons chacun. Soit 72 tonnes d’uranium. Tous les 3 ans, un tiers des assemblages est renouvelé.

(Réacteur à eau pressurisée) Le réacteur nucléaire Le fluide caloporteur Il circule entre les crayons pour transporter la chaleur produite par les fissions nucléaires. Le modérateur Disposé entre les crayons de combustible, il freine les neutrons pour leur permettre d’être captés la les noyaux fissiles. Dans les centrales PWR, l’eau ordinaire est utilisée à la fois comme modérateur et comme liquide caloporteur. Cette eau est sous une pression de 150 bars qui lui permet de rester liquide à des températures de l’ordre de 300 °C. (Réacteur à eau pressurisée)

Le réacteur nucléaire Les barres de contrôle Elles sont introduites dans le réacteur ou en sont retirées pour le piloter. Elles sont constituées d’un matériau absorbant les neutrons (Cadmium, bore, gadolinium) Salle de contrôle

La centrale nucléaire PWR Le réacteur comporte 3 circuits d’eau indépendants. Le circuit primaire Il transporte la chaleur du réacteur vers un échangeur. Le circuit secondaire L’eau reçoit la chaleur du circuit primaire dans l’échangeur où elle est vaporisée. Elle actionne la turbine qui fait tourner l’alternateur. Le circuit de refroidissement Il refroidit et liquéfie l’eau du circuit secondaire. Animation

La turbine actionne l’alternateur qui produit le courant. La turbine à vapeur La vapeur à haute pression est projeté sur des roues à ailettes qu’elle fait tourner. La turbine actionne l’alternateur qui produit le courant. Turbine et alternateur Rotor de la turbine

Le rendement d’une centrale nucléaire est d’environ 35% . Refroidissement Comme toutes les machines thermiques qui transforment de la chaleur en énergie mécanique une centrale électrique doit rejeter une partie de la chaleur dans une source froide. L'eau du circuit de refroidissement est refroidie. Par un fleuve ou la mer. Par l’air atmosphérique dans une tour réfrigérante d'où une petite partie (1,5 %) s'échappe en vapeur qui se condense en forme de panache blanc. Le rendement d’une centrale nucléaire est d’environ 35% . 65 % de l’énergie produite par le réacteur est rejetée sous forme de chaleur dans l’environnement.

Quelques types de centrales nucléaires Centrale à réacteur à eau pressurisée (PWR). 60% dans le monde et 80 % en Europe. Centrale à réacteur à eau bouillante, modéré au graphite. Conception soviétique (Tchernobyl). Centrale à réacteur utilisant de l’uranium naturel modéré par de l'eau lourde Filière canadienne Centrale à réacteur à eau bouillante. Centrale à neutrons rapides et à sodium comme fluide caloporteur. Centrale Superphénix de Creys-Malville (France). Abandonnée. ……..

L’enrichissement de l’uranium Augmentation de la proportion d’ U-235 fissile dans l’uranium naturel. (Entre 3,5% et 5% pour la production d’électricité) Deux méthodes principales utilisant l’hexafluorure d’uranium gazeux. (UF6) La diffusion gazeuse  L’ultracentrifugation 

Usine de Pierrelatte (Drôme, France) Diffusion gazeuse On filtre l’UF6 au travers d’une paroi poreuse. Les molécules contenant de l’U - 235, plus légères et donc plus rapides, sont plus nombreuses à traverser la paroi. De l’autre côté de la paroi la proportion d’U-235 est légèrement augmentée. Une usine peut comporter 1400 diffuseurs en cascade. Usine de Pierrelatte (Drôme, France) Diffuseurs

Usine de Portsmouth (Ohio, USA) Ultracentrifugation Des centrifugeuses contenant de l’UF6 tournent à très grande vitesse. Les molécules contenant de l’U-238, plus lourd, s’accumulent davantage en en périphérie. Au centre, le gaz est enrichi en U-235. Les centrifugeuses sont disposée en cascade. Ce procédé est plus moderne et consomme beaucoup moins d’énergie que la diffusion. Usine de Portsmouth (Ohio, USA) Centrifugeuses

Les produits de la fission de l’U235 Plus de cent nucléides différents peuvent être libérés lors de la fission de l'uranium. Les deux fragments sont, le plus souvent: Un noyau de nombre de masse autour de A=95 (brome, krypton, zirconium, strontium …) Un noyau de nombre de masse autour de A=139 (iode, xénon, baryum, césium…) Les produits de fission peuvent être à l'état gazeux, liquide ou solide. La plupart sont radioactifs et constituent les déchets radiotoxiques.

Le plutonium Le plutonium est produit dans les centrales nucléaires par la capture d’un neutron par l’U - 238. Le plutonium est un métal argenté très radioactif et très toxique (un milligramme de plutonium peut suffire à produire un cancer). Après retraitement des déchets, le plutonium, mélangé à de l’uranium peut-être réutilisé dans les centrales (MOX) 5 kg de plutonium permettent de fabriquer une bombe atomique.

Les déchets radioactifs A: Déchets de faible radioactivité, à vie courte 90% de la totalité des déchets radioactifs. Filtres, Gants et petit matériel Ils sont compactés dans des fûts de métal ou de béton. Souvent entreposés sur les sites de production. B: Déchets de moyenne radioactivité, à vie longue 9% de la totalité des déchets radioactifs. Actifs pendant plusieurs milliers d’années. Proviennent principalement des usines de retraitement (boues, gaines de combustibles). Compactés dans des fûts de métal ou de béton. Une des options envisagées est de les enterrer en profondeur. France: 2000 m³ par an C: Déchets de forte radioactivité, à vie longue 0,5% de la totalité des déchets radioactifs. Reste de la combustion de l’uranium, produits de fission, récupérés après retraitement. Coulés dans du verre (vitrification). France: 100 m³ par an L’uranium et le plutonium, récupérés dans les déchets peuvent être réutilisés dans les centrales.

Le nucléaire dans le monde Le nucléaire, dans le monde, assure 17% de la production d’électricité.

Le nucléaire en Belgique 2 centrales PWR Tihange (Huy) Début de l’exploitation: 1975 3 unités totalisant 3130 MW Doel (Anvers) Début de l’exploitation: 1974 4 unités totalisant 2960 MW Le nucléaire, en Belgique, assure 57% de la production d’électricité.

Bombe à fission Bombe à uranium. « Little Boy » Hiroshima 6 août 1945 Bombe à Plutonium. « Fat Man » Nagasaki 9 août 1945 64 kg d’uranium enrichi à 90 %. Energie équivalente à 18000 tonnes de TNT. 7 kg de plutonium quasi pur. Energie équivalente à 23000 tonnes de TNT.