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Chimie 1e (OpenStax)
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21.4 : Transmutation et énergie nucléaire

21.4 : Transmutation et énergie nucléaire

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Objectifs d'apprentissage

Décrire la synthèse des nucléides transuraniens
Expliquer les processus de fission et de fusion nucléaires
Associer les concepts de masse critique et de réactions nucléaires en chaîne
Résumez les exigences de base pour les réacteurs de fission et de fusion nucléaires

Après la découverte de la radioactivité, le domaine de la chimie nucléaire a été créé et développé rapidement au début du XXe siècle. Une série de nouvelles découvertes dans les années 1930 et 1940, ainsi que la Seconde Guerre mondiale, se sont combinées pour marquer le début de l'ère nucléaire au milieu du XXe siècle. La science a appris à créer de nouvelles substances, et certains isotopes de certains éléments se sont révélés capables de produire des quantités d'énergie sans précédent, susceptibles de provoquer d'énormes dégâts en temps de guerre, ainsi que de produire d'énormes quantités d'énergie pour les besoins de la société en temps de paix.

Synthèse de nucléides

La transmutation nucléaire est la conversion d'un nucléide en un autre. Elle peut se produire par la désintégration radioactive d'un noyau ou par la réaction d'un noyau avec une autre particule. Le premier noyau artificiel a été produit dans le laboratoire d'Ernest Rutherford en 1919 par une réaction de transmutation, le bombardement d'un type de noyau par d'autres noyaux ou par des neutrons. Rutherford a bombardé des atomes d'azote avec des particules α à haute vitesse provenant d'un isotope radioactif naturel du radium et a observé les protons résultant de la réaction :

\[\ce{^{14}_7N + ^4_2He ⟶ ^{17}_8O + ^1_1H} \nonumber \]

Les\(\ce{^1_1H}\) noyaux\(\ce{^{17}_8O}\) et produits sont stables, de sorte qu'aucun autre changement (nucléaire) ne se produit.

Pour atteindre les énergies cinétiques nécessaires à la production de réactions de transmutation, on utilise des dispositifs appelés accélérateurs de particules. Ces dispositifs utilisent des champs magnétiques et électriques pour augmenter la vitesse des particules nucléaires. Dans tous les accélérateurs, les particules se déplacent dans le vide afin d'éviter les collisions avec les molécules de gaz. Lorsque des neutrons sont nécessaires pour des réactions de transmutation, ils sont généralement obtenus à partir de réactions de désintégration radioactive ou de diverses réactions nucléaires survenant dans les réacteurs nucléaires. Le reportage sur la chimie dans la vie quotidienne qui suit décrit un célèbre accélérateur de particules qui a fait la une des journaux du monde entier.

accélérateur de particules du CERN

Situé près de Genève, le laboratoire du CERN (« Conseil européen pour la recherche nucléaire » ou Conseil européen pour la recherche nucléaire) est le premier centre mondial pour l'étude des particules fondamentales qui composent la matière. Il contient le Grand collisionneur de hadrons (LHC) circulaire de 27 kilomètres (17 miles) de long, le plus grand accélérateur de particules au monde (Figure\(\PageIndex{1}\)). Dans le LHC, les particules sont portées à des énergies élevées, puis sont amenées à entrer en collision les unes avec les autres ou avec des cibles fixes à une vitesse proche de celle de la lumière. Des électroaimants supraconducteurs sont utilisés pour produire un champ magnétique puissant qui guide les particules autour de l'anneau. Des détecteurs spécialisés spécialement conçus observent et enregistrent les résultats de ces collisions, qui sont ensuite analysés par des scientifiques du CERN à l'aide de puissants ordinateurs.

alt — Figure\(\PageIndex{1}\) : Une petite section du LHC est illustrée par des travailleurs qui le parcourent. (crédit : Christophe Delaere)

En 2012, le CERN a annoncé que des expériences menées au LHC avaient permis d'observer pour la première fois le boson de Higgs, une particule élémentaire qui permet d'expliquer l'origine de la masse des particules fondamentales. Cette découverte tant attendue a fait la une des journaux du monde entier et a donné lieu à l'attribution du prix Nobel de physique 2013 à François Englert et Peter Higgs, qui avaient prédit l'existence de cette particule près de 50 ans auparavant.

Avant 1940, l'élément le plus lourd connu était l'uranium, dont le numéro atomique est 92. Aujourd'hui, de nombreux éléments artificiels ont été synthétisés et isolés, dont plusieurs à une telle échelle qu'ils ont eu un impact profond sur la société. L'un d'entre eux, l'élément 93, le neptunium (Np), a été fabriqué pour la première fois en 1940 par McMillan et Abelson en bombardant de l'uranium 238 avec des neutrons. La réaction crée de l'uranium 239 instable, avec une demi-vie de 23,5 minutes, qui se désintègre ensuite en neptunium 239. Le neptunium-239 est également radioactif, avec une demi-vie de 2,36 jours, et il se désintègre en plutonium 239. Les réactions nucléaires sont les suivantes :

\ [\ begin {align*}
\ ce {^ {238} _ {92} U + ^1_0n &⟶ ^ {239} _ {92} U} && \ \ [4 points]
& \ ce {^ {239} _ {92} U &⟶ ^ {239} _ {93} Non + ^0_ {−1} e \, \, \ mathit {t} _ {239} _ {93} Np + ^0_ {−1} e \, \, \ mathit {t} _ {239} _ {1/2} && \ textrm {demi-vie} = \ mathrm {23,5 \ : min} \ \ [4 points]
& \ ce {^ {239} _ {93} Non &⟶ ^ {239} _ {94} Pu + ^0_ {−1 } e \, \, \ mathit {t} _ {1/2}} && \ textrm {demi-vie} = \ mathrm {2,36 \ : jours}
\ end {align*} \ nonumber \]

Le plutonium est aujourd'hui principalement formé dans les réacteurs nucléaires en tant que sous-produit lors de la désintégration de l'uranium. Certains des neutrons libérés lors de la désintégration de l'U-235 se combinent aux noyaux de l'U-238 pour former de l'uranium 239 ; celui-ci subit une désintégration β pour former du neptunium 239, qui à son tour subit une désintégration β pour former du plutonium 239, comme l'illustrent les trois équations précédentes. Il est possible de résumer ces équations comme suit :

\[\mathrm{\ce{^{238}_{92}U} + {^1_0n}⟶ \ce{^{239}_{92}U} \xrightarrow{β^-} \ce{^{239}_{93}Np} \xrightarrow{β^-} \ce{^{239}_{94}Pu}} \nonumber \]

Des isotopes plus lourds du plutonium (Pu-240, Pu-241 et Pu-242) sont également produits lorsque des noyaux de plutonium plus légers capturent des neutrons. Une partie de ce plutonium hautement radioactif est utilisée pour fabriquer des armes militaires, tandis que le reste pose de sérieux problèmes de stockage car leur demi-vie varie de plusieurs milliers à des centaines de milliers d'années.

Bien qu'ils n'aient pas été préparés dans la même quantité que le plutonium, de nombreux autres noyaux synthétiques ont été produits. La médecine nucléaire s'est développée à partir de la capacité de convertir des atomes d'un type en d'autres types d'atomes. Des isotopes radioactifs de plusieurs dizaines d'éléments sont actuellement utilisés pour des applications médicales. Le rayonnement produit par leur désintégration est utilisé pour imager ou traiter divers organes ou parties du corps, entre autres utilisations.

Les éléments situés au-delà de l'élément 92 (uranium) sont appelés éléments transuraniens. Au moment d'écrire ces lignes, 22 éléments transuraniens ont été produits et officiellement reconnus par l'IUPAC ; plusieurs autres éléments présentent des revendications de formation qui attendent d'être approuvées. Certains de ces éléments sont présentés dans le tableau\(\PageIndex{1}\).

Tableau\(\PageIndex{1}\) : Préparation de certains éléments transuraniens
Nom	symbole	Numéro atomique	Réaction
américium	Suis	95	\(\ce{^{239}_{94}Pu + ^1_0n ⟶ ^{240}_{95}Am + ^0_{−1}e}\)
curium	Cm	96	\(\ce{^{239}_{94}Pu + ^4_2He ⟶ ^{242}_{96}Cm + ^1_0n}\)
californium	CF	98	\(\ce{^{242}_{96}Cm + ^4_2He⟶ ^{245}_{98}Cf + ^1_0n}\)
einsteinium	Es	99	\(\ce{^{238}_{92}U + 15^1_0n⟶ ^{253}_{99}Es + 7^0_{−1}e}\)
mendelevium	Maryland	101	\(\ce{^{253}_{99}Es + ^4_2He ⟶ ^{256}_{101}Md + ^1_0n}\)
nobelium	Non	102	\(\ce{^{246}_{96}Cm + ^{12}_6C ⟶ ^{254}_{102}No + 4 ^1_0n}\)
rutherfordium	RF	104	\(\ce{^{249}_{98}Cf + ^{12}_6C⟶ ^{257}_{104}Rf + 4 ^1_0n}\)
seaborgium	SG	106	\(\ce{^{206}_{82}Pb + ^{54}_{24}Cr ⟶ ^{257}_{106}Sg + 3 ^1_0n}\) \(\ce{^{249}_{98}Cf + ^{18}_8O ⟶ ^{263}_{106}Sg + 4 ^1_0n}\)
meitnerium	Mont	107	\(\ce{^{209}_{83}Bi + ^{58}_{26}Fe ⟶ ^{266}_{109}Mt + ^1_0n}\)

Fission nucléaire

De nombreux éléments plus lourds ayant des énergies de liaison par nucléon plus faibles peuvent se décomposer en éléments plus stables qui ont un nombre de masse intermédiaire et des énergies de liaison par nucléon plus élevées, c'est-à-dire des nombres de masse et des énergies de liaison par nucléon plus proches du « pic » du graphe d'énergie de liaison proche de 56. Parfois, des neutrons sont également produits. Cette décomposition s'appelle la fission, c'est-à-dire la rupture d'un gros noyau en petits morceaux. La rupture est assez aléatoire avec la formation d'un grand nombre de produits différents. La fission ne se produit généralement pas naturellement, mais elle est provoquée par un bombardement de neutrons. La première fission nucléaire signalée s'est produite en 1939 lorsque trois scientifiques allemands, Lise Meitner, Otto Hahn et Fritz Strassman, ont bombardé des atomes d'uranium 235 avec des neutrons lents qui ont divisé les noyaux de l'U-238 en fragments plus petits composés de plusieurs neutrons et éléments vers le milieu de la période tableau. Depuis lors, la fission a été observée dans de nombreux autres isotopes, y compris la plupart des isotopes des actinides qui contiennent un nombre impair de neutrons. Une réaction de fission nucléaire typique est illustrée à la figure\(\PageIndex{2}\).

Figure\(\PageIndex{2}\) : Lorsqu'un neutron lent atteint un noyau d'U-235 fissionnable, il est absorbé et forme un noyau U-236 instable. Le noyau U-236 se décompose ensuite rapidement en deux noyaux plus petits (dans ce cas, Ba-141 et Kr-92) ainsi que plusieurs neutrons (généralement deux ou trois), et libère une très grande quantité d'énergie.

Parmi les produits de la réaction de fission de Meitner, Hahn et Strassman, on trouve le baryum, le krypton, le lanthane et le cérium, qui ont tous des noyaux plus stables que l'uranium 235. Depuis lors, des centaines d'isotopes différents ont été observés parmi les produits des substances fissiles. Quelques-unes des nombreuses réactions qui se produisent pour l'U-235, ainsi qu'un graphique montrant la distribution de ses produits de fission et leurs rendements, sont présentés dans la Figure\(\PageIndex{3}\). Des réactions de fission similaires ont été observées avec d'autres isotopes de l'uranium, ainsi qu'avec divers autres isotopes tels que ceux du plutonium.

Figure\(\PageIndex{3}\) : (a) La fission nucléaire de l'U-235 produit une gamme de produits de fission. (b) Les plus gros produits de fission de l'U-235 sont généralement un isotope dont le nombre de masse est d'environ 85 à 105, et un autre isotope dont le nombre de masse est environ 50 % plus élevé, soit environ 130 à 150.

Une énorme quantité d'énergie est produite par la fission d'éléments lourds. Par exemple, lorsqu'une mole d'U-235 subit une fission, les produits pèsent environ 0,2 gramme de moins que les réactifs ; cette masse « perdue » est convertie en une très grande quantité d'énergie, environ 1,8 × 10 ¹⁰ kJ par mole d'U-235. Les réactions de fission nucléaire produisent des quantités d'énergie incroyablement importantes par rapport aux réactions chimiques. La fission d'un kilogramme d'uranium 235, par exemple, produit environ 2,5 millions de fois plus d'énergie que celle produite par la combustion d'un kilogramme de charbon.

Comme décrit précédemment, lors de la fission, l'U-235 produit deux noyaux « de taille moyenne » et deux ou trois neutrons. Ces neutrons peuvent alors provoquer la fission d'autres atomes d'uranium 235, qui à leur tour fournissent plus de neutrons pouvant provoquer la fission d'un plus grand nombre de noyaux, etc. Si cela se produit, nous avons une réaction en chaîne nucléaire (Figure\(\PageIndex{4}\)). En revanche, si trop de neutrons s'échappent du matériau en vrac sans interagir avec un noyau, aucune réaction en chaîne ne se produira.

Figure\(\PageIndex{4}\) : La fission d'un gros noyau, tel que l'U-235, produit deux ou trois neutrons, chacun étant capable de provoquer la fission d'un autre noyau par les réactions présentées. Si ce processus se poursuit, une réaction nucléaire en chaîne se produit.

Les matières qui peuvent soutenir une réaction de fission en chaîne nucléaire sont dites fissiles ou fissiles. (Techniquement, les matières fissiles peuvent subir une fission avec des neutrons de n'importe quelle énergie, alors que les matières fissiles nécessitent des neutrons de haute énergie.) La fission nucléaire devient autonome lorsque le nombre de neutrons produits par la fission est égal ou supérieur au nombre de neutrons absorbés par la division des noyaux plus le nombre de neutrons qui s'échappent dans l'environnement. La quantité de matière fissile qui soutiendra une réaction en chaîne autonome est une masse critique. Une quantité de matière fissile qui ne peut pas supporter une réaction en chaîne est une masse sous-critique. Une quantité de matière dans laquelle le taux de fission augmente est connue sous le nom de masse supercritique. La masse critique dépend du type de matériau : sa pureté, la température, la forme de l'échantillon et la manière dont les réactions neutroniques sont contrôlées (Figure\(\PageIndex{5}\)).

Figure\(\PageIndex{5}\) : (a) Dans une masse sous-critique, la matière fissile est trop petite et permet à trop de neutrons de s'échapper de la matière, de sorte qu'aucune réaction en chaîne ne se produit. (b) Dans une masse critique, un nombre suffisant de neutrons dans la matière fissile provoque une fission pour créer une réaction en chaîne.

Une bombe atomique (Figure\(\PageIndex{6}\)) contient plusieurs kilos de matière fissile\(\ce{^{239}_{94}Pu}\),\(\ce{^{235}_{92}U}\) ou source de neutrons, et un dispositif explosif permettant de la comprimer rapidement en un petit volume. Lorsque les matières fissiles sont en petits morceaux, la proportion de neutrons qui s'échappent par une surface relativement grande est importante et aucune réaction en chaîne n'a lieu. Lorsque les petits morceaux de matière fissile sont rassemblés rapidement pour former un corps dont la masse est supérieure à la masse critique, le nombre relatif de neutrons qui s'échappent diminue, ce qui entraîne une réaction en chaîne et une explosion.

Figure\(\PageIndex{6}\) : (a) La bombe à fission nucléaire qui a détruit Hiroshima le 6 août 1945 était composée de deux masses sous-critiques d'U-235, dans lesquelles des explosifs classiques ont été utilisés pour lancer l'une des masses sous-critiques dans l'autre, créant ainsi la masse critique pour l'explosion nucléaire. (b) La bombe au plutonium qui a détruit Nagasaki le 12 août 1945 était constituée d'une sphère creuse de plutonium rapidement comprimée par des explosifs classiques. Cela a conduit à une concentration de plutonium au centre supérieure à la masse critique nécessaire à l'explosion nucléaire.

Réacteurs à fission

Les réactions en chaîne des matières fissiles peuvent être contrôlées et maintenues sans explosion dans un réacteur nucléaire (Figure\(\PageIndex{7}\)). Tout réacteur nucléaire qui produit de l'énergie par fission d'uranium ou de plutonium par bombardement de neutrons doit comporter au moins cinq composants : un combustible nucléaire constitué de matières fissiles, un modérateur nucléaire, un réfrigérant du réacteur, des barres de commande, ainsi qu'un bouclier et un système de confinement. Nous aborderons ces composants plus en détail plus loin dans la section. Le réacteur fonctionne en séparant les matières nucléaires fissiles de manière à empêcher la formation d'une masse critique, en contrôlant à la fois le flux et l'absorption des neutrons pour permettre l'arrêt des réactions de fission. Dans un réacteur nucléaire utilisé pour la production d'électricité, l'énergie libérée par les réactions de fission est piégée sous forme d'énergie thermique et utilisée pour faire bouillir de l'eau et produire de la vapeur. La vapeur est utilisée pour faire tourner une turbine qui alimente un générateur pour la production d'électricité.

Figure\(\PageIndex{7}\) : (a) La centrale nucléaire de Diablo Canyon, près de San Luis Obispo, est la seule centrale nucléaire actuellement en activité en Californie. Les dômes sont les structures de confinement des réacteurs nucléaires, et le bâtiment brun abrite la turbine où l'électricité est produite. L'eau de mer est utilisée pour le refroidissement. (b) Le canyon du Diablo utilise un réacteur à eau sous pression, l'un des rares types de réacteurs à fission utilisés dans le monde, pour produire de l'électricité. L'énergie produite par les réactions de fission nucléaire dans le cœur permet de chauffer l'eau dans un système fermé sous pression. La chaleur produite par ce système produit de la vapeur qui actionne une turbine, qui produit à son tour de l'électricité. (crédit a : modification des travaux par « Mike » Michael L. Baird ; crédit b : modification des travaux de la Nuclear Regulatory Commission)

Combustibles nucléaires

Le combustible nucléaire est constitué d'un isotope fissile, tel que l'uranium 235, qui doit être présent en quantité suffisante pour permettre une réaction en chaîne autonome. Aux États-Unis, les minerais d'uranium contiennent de 0,05 à 0,3 % d'oxyde d'uranium U ₃ O ₈ ; l'uranium contenu dans le minerai est composé d'environ 99,3 % d'U-238 non fissionable avec seulement 0,7 % d'U-235 fissile. Les réacteurs nucléaires nécessitent un combustible dont la concentration en 235U est plus élevée que celle que l'on trouve dans la nature ; il est normalement enrichi pour contenir environ 5 % de la masse d'uranium sous forme d'U-235. À cette concentration, il n'est pas possible d'atteindre la masse supercritique nécessaire à une explosion nucléaire. L'uranium peut être enrichi par diffusion gazeuse (la seule méthode actuellement utilisée aux États-Unis), à l'aide d'une centrifugeuse à gaz ou par séparation laser.

Dans l'usine d'enrichissement par diffusion gazeuse où le combustible U-235 est préparé, le gaz UF ₆ (hexafluorure d'uranium) passe à basse pression à travers des barrières dont les trous sont à peine suffisamment grands pour permettre le passage de l'UF ₆. Les ²³⁵ molécules d'UF ₆ légèrement plus légères diffusent à travers la barrière un peu plus rapidement que les ²³⁸ molécules d'UF ₆ plus lourdes. Ce processus se répète à travers des centaines de barrières, augmentant progressivement la concentration de ²³⁵ UF ₆ jusqu'au niveau requis par le réacteur nucléaire. La base de ce processus, la loi de Graham, est décrite dans le chapitre sur les gaz. Le gaz _UF6 enrichi est collecté, refroidi jusqu'à ce qu'il se solidifie, puis acheminé vers une usine de fabrication où il est transformé en assemblages combustibles. Chaque assemblage de combustible est constitué de barres de combustible contenant de nombreuses pastilles de combustible en uranium enrichi (généralement de l'UO ₂) enrobées de céramique de la taille d'une douille. Les réacteurs nucléaires modernes peuvent contenir jusqu'à 10 millions de pastilles de combustible. La quantité d'énergie contenue dans chacune de ces pastilles est égale à celle de presque une tonne de charbon ou 150 gallons de pétrole.

Modérateurs nucléaires

Les neutrons produits par les réactions nucléaires se déplacent trop rapidement pour provoquer une fission (Figure 21.5.5). Ils doivent d'abord être ralentis pour être absorbés par le combustible et produire des réactions nucléaires supplémentaires. Un modérateur nucléaire est une substance qui ralentit les neutrons à une vitesse suffisamment faible pour provoquer la fission. Les premiers réacteurs utilisaient du graphite de haute pureté comme modérateur. Aux États-Unis, les réacteurs modernes utilisent exclusivement de l'eau lourde\(\ce{( ^2_1H2O)}\) ou de l'eau légère (H ₂ O ordinaire), tandis que certains réacteurs d'autres pays utilisent d'autres matériaux, tels que le dioxyde de carbone, le béryllium ou le graphite.

Réfrigérants pour réacteurs

Un réfrigérant de réacteur nucléaire est utilisé pour transporter la chaleur produite par la réaction de fission vers une chaudière et une turbine externes, où elle est transformée en électricité. Deux boucles de refroidissement qui se chevauchent sont souvent utilisées ; cela permet de contrecarrer le transfert de radioactivité du réacteur vers la boucle de refroidissement primaire. Toutes les centrales nucléaires des États-Unis utilisent de l'eau comme réfrigérant. Les autres liquides de refroidissement incluent le sodium fondu, le plomb, un mélange de plomb et de bismuth ou des sels fondus.

Barres de commande

Les réacteurs nucléaires utilisent des barres de commande (Figure\(\PageIndex{8}\)) pour contrôler le taux de fission du combustible nucléaire en ajustant le nombre de neutrons lents présents afin de maintenir le taux de réaction en chaîne à un niveau sûr. Les barres de contrôle sont faites de bore, de cadmium, d'hafnium ou d'autres éléments capables d'absorber les neutrons. Le bore-10, par exemple, absorbe les neutrons par une réaction qui produit des particules de lithium-7 et alpha :

\[\ce{^{10}_5B + ^1_0n⟶ ^7_3Li + ^4_2He} \nonumber \]

Lorsque les barres de commande sont insérées dans l'élément combustible du cœur du réacteur, elles absorbent une plus grande partie des neutrons lents, ralentissant ainsi la vitesse de la réaction de fission et diminuant la puissance produite. Inversement, si les barres de commande sont retirées, moins de neutrons sont absorbés et le taux de fission et la production d'énergie augmentent. En cas d'urgence, la réaction en chaîne peut être arrêtée en insérant complètement toutes les barres de commande dans le cœur nucléaire entre les barres de combustible.

Figure\(\PageIndex{8}\) : Le cœur du réacteur nucléaire illustré en (a) contient l'ensemble combustible et barre de commande illustré en (b). (crédit : modification de l'ouvrage de E. Generalic, glossary.periodni.com/glossar... en=control+rod)

Bouclier et système de confinement

Pendant son fonctionnement, un réacteur nucléaire produit des neutrons et d'autres radiations. Même à l'arrêt, les produits de désintégration sont radioactifs. De plus, un réacteur en fonctionnement est thermiquement très chaud et des pressions élevées résultent de la circulation d'eau ou d'un autre réfrigérant à travers celui-ci. Ainsi, un réacteur doit résister à des températures et à des pressions élevées et doit protéger le personnel d'exploitation contre les radiations. Les réacteurs sont équipés d'un système de confinement (ou bouclier) composé de trois parties :

La cuve du réacteur, une enveloppe en acier de 3 à 20 centimètres d'épaisseur qui, avec le modérateur, absorbe une grande partie du rayonnement produit par le réacteur
Un bouclier principal de 1 à 3 mètres de béton haute densité
Un bouclier personnel fait de matériaux plus légers qui protège les opérateurs des rayons γ et des rayons X

En outre, les réacteurs sont souvent recouverts d'un dôme en acier ou en béton conçu pour contenir toute matière radioactive susceptible d'être libérée par un accident de réacteur.

Vidéo\(\PageIndex{1}\) : Cliquez ici pour visionner une vidéo de 3 minutes du Nuclear Energy Institute sur le fonctionnement des réacteurs nucléaires.

Les centrales nucléaires sont conçues de telle sorte qu'elles ne peuvent pas former une masse supercritique de matières fissiles et ne peuvent donc pas provoquer d'explosion nucléaire. Mais comme l'histoire l'a montré, les défaillances des systèmes et des garanties peuvent provoquer des accidents catastrophiques, notamment des explosions chimiques et des fusions nucléaires (dommages au cœur du réacteur dus à une surchauffe). Le reportage suivant sur la chimie dans la vie quotidienne explore trois incidents de fusion tristement célèbres.

Accidents nucléaires

L'importance du refroidissement et du confinement est amplement illustrée par trois accidents majeurs survenus dans les réacteurs nucléaires des centrales nucléaires des États-Unis (Three Mile Island), de l'ancienne Union soviétique (Tchernobyl) et du Japon (Fukushima).

En mars 1979, le système de refroidissement du réacteur de l'unité 2 de la centrale nucléaire de Three Mile Island en Pennsylvanie est tombé en panne et l'eau de refroidissement s'est déversée du réacteur sur le sol du bâtiment de confinement. Après l'arrêt des pompes, les réacteurs ont surchauffé en raison de la chaleur de désintégration radioactive élevée produite dans les premiers jours suivant l'arrêt du réacteur nucléaire. La température du noyau a atteint au moins 2200 °C et la partie supérieure du noyau a commencé à fondre. De plus, le revêtement en alliage de zirconium des barres de combustible a commencé à réagir avec la vapeur et a produit de l'hydrogène :

\[\ce{Zr}(s)+\ce{2H2O}(g)⟶\ce{ZrO2}(s)+\ce{2H2}(g) \nonumber \]

L'hydrogène s'est accumulé dans le bâtiment de confinement et l'on craignait un risque d'explosion du mélange d'hydrogène et d'air dans le bâtiment. Par conséquent, de l'hydrogène et des gaz radioactifs (principalement du krypton et du xénon) ont été évacués du bâtiment. En une semaine, la circulation de l'eau de refroidissement a été rétablie et le cœur a commencé à se refroidir. L'usine a été fermée pendant près de 10 ans pendant le processus de nettoyage.

Bien qu'aucun rejet de matières radioactives soit souhaitable, le rejet de krypton et de xénon radioactifs, comme celui qui s'est produit à l'usine de Three Mile Island, est parmi les plus tolérables. Ces gaz se dispersent facilement dans l'atmosphère et ne produisent donc pas de zones hautement radioactives. De plus, ce sont des gaz nobles qui ne sont pas incorporés dans les matières végétales et animales de la chaîne alimentaire. En fait, aucun des éléments lourds du cœur du réacteur n'a été rejeté dans l'environnement et aucun nettoyage de la zone située à l'extérieur du bâtiment de confinement n'a été nécessaire (Figure\(\PageIndex{9}\)).

Figure\(\PageIndex{9}\) : (a) Sur cette photo de 2010 de Three Mile Island, les structures restantes du réacteur endommagé de l'unité 2 sont visibles sur la gauche, tandis que le réacteur séparé de l'unité 1, non touché par l'accident, continue de produire de l'électricité à ce jour (à droite). b) Le président Jimmy Carter s'est rendu dans la salle de commande de l'unité 2 quelques jours après l'accident de 1979.

Un autre accident nucléaire majeur impliquant un réacteur s'est produit en avril 1986, à la centrale nucléaire de Tchernobyl en Ukraine, qui faisait toujours partie de l'ancienne Union soviétique. Alors qu'il fonctionnait à faible puissance lors d'une expérience non autorisée, certains de ses dispositifs de sécurité étant éteints, l'un des réacteurs de la centrale est devenu instable. Sa réaction en chaîne est devenue incontrôlable et a atteint un niveau bien supérieur à celui pour lequel le réacteur avait été conçu. La pression de vapeur dans le réacteur a atteint entre 100 et 500 fois la pression de pleine puissance et a provoqué la rupture du réacteur. Comme le réacteur n'était pas enfermé dans un bâtiment de confinement, une grande quantité de matière radioactive s'est échappée et d'autres produits de fission ont été libérés lorsque le modérateur de graphite (carbone) du cœur s'est enflammé et a brûlé. L'incendie a été maîtrisé, mais plus de 200 travailleurs de l'usine et pompiers ont développé une maladie aiguë due aux radiations et au moins 32 sont rapidement décédés des suites des effets des radiations. On prévoit qu'environ 4 000 décès supplémentaires se produiront parmi les secouristes et les anciens habitants de Tchernobyl à cause du cancer et de la leucémie induits par les radiations. Le réacteur a depuis été encapsulé dans de l'acier et du béton, une structure en décomposition connue sous le nom de sarcophage. Près de 30 ans plus tard, d'importants problèmes radiologiques persistent toujours dans la région, et Tchernobyl reste en grande partie une friche.

En 2011, la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi au Japon a été gravement endommagée par un tremblement de terre de magnitude 9,0 et un tsunami qui en a résulté. Trois réacteurs en service à l'époque ont été arrêtés automatiquement et des groupes électrogènes de secours ont été mis en service pour alimenter les systèmes électroniques et les systèmes de refroidissement. Cependant, le tsunami a rapidement inondé les groupes électrogènes de secours et coupé l'alimentation des pompes qui faisaient circuler l'eau de refroidissement dans les réacteurs. La vapeur à haute température des réacteurs a réagi avec l'alliage de zirconium pour produire de l'hydrogène gazeux. Le gaz s'est échappé dans le bâtiment de confinement et le mélange d'hydrogène et d'air a explosé. Des matières radioactives ont été libérées des cuves de confinement à la suite d'une évacuation délibérée visant à réduire la pression d'hydrogène, d'un rejet délibéré d'eau de refroidissement dans la mer et d'événements accidentels ou non contrôlés.

Une zone d'évacuation autour de l'usine endommagée s'étendait sur plus de 20 km et environ 200 000 personnes ont été évacuées de la zone. Les 48 centrales nucléaires du Japon ont ensuite été fermées et sont restées fermées en décembre 2014. Depuis la catastrophe, l'opinion publique est passée d'une opinion largement favorable à une opposition générale à l'augmentation de l'utilisation des centrales nucléaires, et la relance du programme énergétique atomique du Japon est toujours bloquée (Figure\(\PageIndex{10}\)).

Figure\(\PageIndex{10}\) : (a) Après l'accident, les déchets contaminés ont dû être retirés et (b) une zone d'évacuation a été mise en place autour de l'usine dans les zones ayant reçu de fortes doses de retombées radioactives. (crédit a : modification de l'œuvre par « Live Action Hero » /Flickr)

L'énergie produite par un réacteur alimenté à l'uranium enrichi provient de la fission de l'uranium ainsi que de la fission du plutonium produit pendant le fonctionnement du réacteur. Comme indiqué précédemment, le plutonium se forme à partir de la combinaison de neutrons et d'uranium dans le combustible. Dans tout réacteur nucléaire, environ 0,1 % seulement de la masse du combustible est convertie en énergie. Les 99,9 % restants restent dans les barres de combustible sous forme de produits de fission et de combustible non utilisé. Tous les produits de fission absorbent les neutrons et, après une période de plusieurs mois à quelques années, selon le réacteur, les produits de fission doivent être éliminés en changeant les barres de combustible. Sinon, la concentration de ces produits de fission augmenterait et absorberait davantage de neutrons jusqu'à ce que le réacteur ne puisse plus fonctionner.

Les barres de combustible usé contiennent divers produits, notamment des noyaux instables dont le numéro atomique varie de 25 à 60, des éléments transuraniens, dont le plutonium et l'américium, et des isotopes d'uranium qui n'ont pas réagi. Les noyaux instables et les isotopes transuraniens confèrent au combustible usé un niveau de radioactivité dangereusement élevé. Les isotopes à longue durée de vie mettent des milliers d'années à se désintégrer à un niveau sûr. Le destin final du réacteur nucléaire en tant que source d'énergie importante aux États-Unis dépend probablement de la possibilité de développer une technique politiquement et scientifiquement satisfaisante pour le traitement et le stockage des composants des barres de combustible usé.

Fusion nucléaire et réacteurs à fusion

Le processus de conversion de noyaux très légers en noyaux plus lourds s'accompagne également de la conversion de la masse en grandes quantités d'énergie, un processus appelé fusion. La principale source d'énergie solaire est une réaction de fusion nette au cours de laquelle quatre noyaux d'hydrogène fusionnent et produisent un noyau d'hélium et deux positrons. Il s'agit de la réaction nette d'une série d'événements plus complexes :

\[\ce{4^1_1H ⟶ ^4_2He + 2^0_{+1}} \nonumber \]

Un noyau d'hélium a une masse inférieure de 0,7 % à celle de quatre noyaux d'hydrogène ; cette masse perdue est convertie en énergie lors de la fusion. Cette réaction produit environ 3,6 × 10 ¹¹ kJ d'énergie par mole d'énergie\(\ce{^4_2He}\) produite. Cette énergie est légèrement supérieure à l'énergie produite par la fission nucléaire d'une mole d'U-235 (1,8 × 10 ¹⁰ kJ) et plus de 3 millions de fois supérieure à l'énergie produite par la combustion (chimique) d'une mole d'octane (5471 kJ).

Il a été déterminé que les noyaux des isotopes lourds de l'hydrogène, un deutéron\(^2_1\) et un triton\(^3_1\), subissent une fusion à des températures extrêmement élevées (fusion thermonucléaire). Ils forment un noyau d'hélium et un neutron :

\[\ce{^2_1H + ^3_1H ⟶ ^4_2He + 2^1_0n} \nonumber \]

Ce changement se traduit par une perte de masse de 0,0188 amu, ce qui correspond à la libération de 1,69 × 10 ⁹ kilojoules par mole de produit\(\ce{^4_2He}\) formé. La température très élevée est nécessaire pour donner aux noyaux suffisamment d'énergie cinétique pour surmonter les très fortes forces de répulsion résultant des charges positives sur leurs noyaux afin qu'ils puissent entrer en collision.

Les réactions de fusion utiles nécessitent des températures très élevées pour se déclencher, soit environ 15 000 000 K ou plus. À ces températures, toutes les molécules se dissocient en atomes et les atomes s'ionisent pour former du plasma. Ces conditions se produisent dans un très grand nombre d'endroits de l'univers : les étoiles sont alimentées par fusion. Les humains ont déjà découvert comment créer des températures suffisamment élevées pour réaliser une fusion à grande échelle dans des armes thermonucléaires. Une arme thermonucléaire telle qu'une bombe à hydrogène contient une bombe à fission nucléaire qui, lorsqu'elle explose, dégage suffisamment d'énergie pour produire les températures extrêmement élevées nécessaires à la fusion.

Un autre moyen beaucoup plus avantageux de créer des réactions de fusion consiste à utiliser un réacteur à fusion, un réacteur nucléaire dans lequel les réactions de fusion de noyaux légers sont contrôlées. Comme aucun matériau solide n'est stable à des températures aussi élevées, les dispositifs mécaniques ne peuvent pas contenir le plasma dans lequel se produisent les réactions de fusion. Deux techniques permettant de contenir le plasma à la densité et à la température nécessaires à une réaction de fusion font actuellement l'objet d'efforts de recherche intensifs : le confinement par un champ magnétique et l'utilisation de faisceaux laser focalisés (Figure\(\PageIndex{11}\)). Un certain nombre de grands projets visent à atteindre l'un des plus grands objectifs de la science : faire en sorte que l'hydrogène s'enflamme et produise plus d'énergie que la quantité fournie pour atteindre les températures et les pressions extrêmement élevées requises pour la fusion. Au moment de la rédaction de cet article, aucun réacteur de fusion autonome n'était en activité dans le monde, bien que des réactions de fusion contrôlées à petite échelle aient été exécutées pendant de très brèves périodes.

Figure\(\PageIndex{11}\) : (a) Ce modèle est celui du réacteur thermonucléaire expérimental international (ITER). Actuellement en construction dans le sud de la France et dont la date d'achèvement est prévue pour 2027, l'ITER sera le plus grand réacteur de fusion nucléaire tokamak expérimental au monde dans le but de parvenir à une production d'énergie durable à grande échelle. (b) En 2012, l'installation nationale d'allumage du laboratoire national Lawrence Livermore a brièvement produit plus de 500 000 000 000 de watts (500 térawatts, ou 500 TW) de puissance de pointe et fourni 1 850 000 joules (1,85 MJ) d'énergie, la plus grande énergie laser jamais produite et 1 000 fois la consommation d'énergie de l'ensemble de United Des états à tout moment. Bien qu'ils n'aient duré que quelques milliardièmes de seconde, les 192 lasers ont atteint les conditions nécessaires à l'allumage par fusion nucléaire. Cette image montre la cible avant la prise de vue au laser. (crédit a : modification d'une œuvre de Stephan Mosel)

Résumé

Il est possible de produire de nouveaux atomes en bombardant d'autres atomes avec des noyaux ou des particules à haute vitesse. Les produits de ces réactions de transmutation peuvent être stables ou radioactifs. Un certain nombre d'éléments artificiels, notamment le technétium, l'astatine et les éléments transuraniens, ont été produits de cette manière.

L'énergie nucléaire ainsi que les détonations d'armes nucléaires peuvent être générées par fission (réactions au cours desquelles un noyau lourd est divisé en deux noyaux plus légers ou plus et plusieurs neutrons). Comme les neutrons peuvent provoquer des réactions de fission supplémentaires lorsqu'ils se combinent avec d'autres noyaux lourds, il peut en résulter une réaction en chaîne. La puissance utile est obtenue si le processus de fission est réalisé dans un réacteur nucléaire. La conversion de noyaux légers en noyaux plus lourds (fusion) produit également de l'énergie. À l'heure actuelle, cette énergie n'est pas contenue de manière adéquate et est trop coûteuse pour être exploitable pour la production d'énergie commerciale.

Lexique

réaction en chaîne: fission répétée provoquée lorsque les neutrons libérés lors de la fission bombardent d'autres atomes

système de confinement: (également, bouclier) une structure en trois parties composée de matériaux qui protège l'extérieur d'un réacteur à fission nucléaire et le personnel d'exploitation contre les températures, les pressions et les niveaux de rayonnement élevés à l'intérieur du réacteur

barre de commande: matériau inséré dans l'assemblage combustible qui absorbe les neutrons et peut être augmenté ou abaissé pour ajuster la vitesse d'une réaction de fission

masse critique: quantité de matière fissile qui soutiendra une réaction en chaîne autonome (fission nucléaire)

fissile (ou fissile): lorsqu'un matériau est capable de supporter une réaction de fission nucléaire

fission: division d'un noyau plus lourd en deux noyaux plus légers ou plus, généralement accompagnée de la conversion de la masse en grandes quantités d'énergie

fusion: combinaison de noyaux très légers en noyaux plus lourds, accompagnée de la conversion de la masse en grandes quantités d'énergie

réacteur à fusion: réacteur nucléaire dans lequel les réactions de fusion de noyaux légers sont contrôlées

combustible nucléaire: isotope fissile présent en quantité suffisante pour permettre une réaction en chaîne autonome dans un réacteur nucléaire

modérateur nucléaire: substance qui ralentit les neutrons à une vitesse suffisamment faible pour provoquer la fission

réacteur nucléaire: environnement qui produit de l'énergie par fission nucléaire dans lequel la réaction en chaîne est contrôlée et maintenue sans explosion

transmutation nucléaire: conversion d'un nucléide en un autre

accélérateur de particules: dispositif utilisant des champs électriques et magnétiques pour augmenter l'énergie cinétique des noyaux utilisés dans les réactions de transmutation

réfrigérant du réacteur: ensemble utilisé pour transporter la chaleur produite par la fission dans un réacteur vers une chaudière et une turbine externes où elle est transformée en électricité

masse sous-critique: quantité de matière fissile qui ne peut pas supporter une réaction en chaîne ; inférieure à une masse critique

masse supercritique: quantité de matière dans laquelle le taux de fission augmente

réaction de transmutation: bombardement d'un type de noyau par d'autres noyaux ou neutrons

élément transuranien: élément dont le numéro atomique est supérieur à 92 ; ces éléments n'existent pas dans la nature