L'énergie nucléaire : entre fission et fusion
L'énergie nucléaire est une source d'énergie majeure dans le mix énergétique mondial, notamment en France où elle représente une part prépondérante de la production d'électricité. En physique-chimie, son étude nous plonge au cœur de la matière, au niveau du noyau atomique. Contrairement aux réactions chimiques qui impliquent les électrons, les réactions nucléaires concernent le noyau et libèrent des quantités d'énergie considérablement plus grandes. Pour le Bac, il est essentiel de maîtriser les deux grandes voies de production de cette énergie : la fission et la fusion.
Les bases : noyau, énergie de liaison et défaut de masse
Pour comprendre l'origine de l'énergie nucléaire, il faut revenir à la structure du noyau. Un noyau est composé de nucléons : les protons (chargés positivement) et les neutrons (neutres). Une force intense, l'interaction forte, assure la cohésion du noyau en liant les nucléons entre eux.
L'énergie qu'il faudrait fournir pour séparer tous les nucléons d'un noyau est appelée énergie de liaison El. Une observation cruciale est que la masse d'un noyau au repos est inférieure à la somme des masses de ses nucléons séparés. Cette différence de masse, appelée défaut de masse Δm, est liée à l'énergie de liaison par la célèbre relation d'Einstein :
El = |Δm| × c² où c est la célérité de la lumière dans le vide (c ≈ 3,00 × 108 m.s-1).
Plus l'énergie de liaison par nucléon (El/A, avec A le nombre de nucléons) est grande, plus le noyau est stable. La courbe d'Aston (ou courbe de l'énergie de liaison par nucléon) montre que les noyaux de taille moyenne (autour du fer-56) sont les plus stables.
Exemple concret : Le noyau d'hélium 4 (42He) a une énergie de liaison par nucléon d'environ 7,1 MeV. Celle de l'uranium 235 (23592U) est d'environ 7,6 MeV, tandis que celle d'un noyau léger comme le deutérium (21H) est d'environ 1,1 MeV. Cette courbe est la clé pour comprendre pourquoi fission et fusion libèrent de l'énergie.
La fission nucléaire : diviser pour produire
La fission nucléaire est le processus utilisé dans les centrales nucléaires actuelles. Elle consiste à casser un noyau lourd (comme l'uranium 235 ou le plutonium 239) en deux noyaux plus légers (les produits de fission), sous l'impact d'un neutron.
Le mécanisme de la réaction en chaîne
Lorsqu'un neutron lent percute un noyau fissile comme 23592U, il peut le rendre instable. Le noyau se déforme puis se scinde en deux noyaux plus légers (par exemple, du krypton et du baryum), tout en libérant en moyenne 2 à 3 neutrons et une grande quantité d'énergie sous forme de chaleur (énergie cinétique des produits).
L'équation-bilan d'une fission possible s'écrit :
10n + 23592U → 9438Sr + 14054Xe + 2 10n
Les neutrons libérés peuvent à leur tour provoquer la fission d'autres noyaux d'uranium 235, déclenchant ainsi une réaction en chaîne. Pour qu'elle soit contrôlée et utilisable dans une centrale, il faut absorber l'excédent de neutrons à l'aide de barres de contrôle (en bore ou cadmium). Dans une bombe atomique, la réaction en chaîne est, au contraire, non contrôlée et explosive.
De la réaction à l'électricité : le fonctionnement d'une centrale
Dans le cœur du réacteur, les combustibles nucléaires (pastilles d'UO2 enrichi en 235U) sont regroupés en assemblages. La chaleur dégagée par les fissions est évacuée par un fluide caloporteur (eau sous pression dans les réacteurs français). Cette eau chaude vaporise de l'eau dans un générateur de vapeur. La vapeur fait tourner une turbine qui entraîne un alternateur, produisant ainsi de l'électricité. L'eau est ensuite refroidie dans un condenseur, souvent à l'aide d'un circuit d'eau de refroidissement (tour aéroréfrigérante ou eau de rivière/mer).
Avantages et inconvénients :
Avantages : Production massive d'électricité décarbonée (pas d'émission de CO2 lors du fonctionnement), indépendance énergétique, production continue (hors maintenance).
Inconvénients : Production de déchets radioactifs à vie longue et haute activité, risques d'accidents majeurs (Tchernobyl, Fukushima), coût et durée de construction des centrales, ressources en uranium limitées.
La fusion nucléaire : l'énergie des étoiles
La fusion nucléaire est le processus inverse de la fission : elle consiste à assembler deux noyaux légers pour former un noyau plus lourd. C'est la réaction qui alimente le Soleil et les étoiles.
Le défi de la fusion sur Terre
Sur la courbe d'Aston, on voit que les noyaux très légers (comme l'hydrogène, le deutérium, le tritium) ont une énergie de liaison par nucléon faible. En fusionnant pour former un noyau plus proche du pic de stabilité (comme l'hélium), ils libèrent une énergie colossale par nucléon impliqué, bien supérieure à celle de la fission.
L'une des réactions les plus étudiées pour un réacteur terrestre est la fusion deutérium-tritium :
21H + 31H → 42He + 10n + Énergie
Le défi est immense : pour fusionner, les noyaux (tous deux chargés positivement) doivent vaincre la forte répulsion électrostatique (barrière coulombienne). Cela nécessite de porter le mélange de deutérium et de tritium à des températures extrêmes (plusieurs dizaines, voire centaines de millions de degrés), créant un plasma (gaz ionisé). À ces températures, la matière ne peut être contenue par aucun matériau solide. On utilise principalement deux techniques : le confinement magnétique (comme dans le tokamak ITER, où des champs magnétiques puissants confinent le plasma en forme d'anneau) et le confinement inertiel (où de petits pellets de combustible sont compressés par des lasers très puissants).
Fusion vs Fission : comparaison et perspectives
Avantages potentiels de la fusion :
- Ressources quasi illimitées (le deutérium est extrait de l'eau de mer, le lithium pour produire le tritium est abondant).
- Pas de production de déchets radioactifs à vie longue (le principal produit est l'hélium, inerte).
- Pas de risque d'emballement de la réaction (les conditions de plasma sont si difficiles à maintenir qu'une perturbation l'arrête).
- Pas d'émission de gaz à effet de serre.
Défis majeurs : La technologie n'est pas encore maîtrisée. Le projet international ITER vise à démontrer la faisabilité scientifique et technique, mais la production industrielle d'électricité par fusion n'est pas attendue avant la seconde moitié du siècle.
Exercice d'application type Bac
Énoncé : Lors de la fission d'un noyau d'uranium 235, l'énergie libérée est d'environ 200 MeV.
1. Calculer cette énergie en joules (1 eV = 1,602 × 10-19 J).
2. La masse de combustible consommée dans un réacteur en une année est de l'ordre de 1 tonne. En déduire un ordre de grandeur de l'énergie E produite en un an. On donne NA = 6,02 × 1023 mol-1 et la masse molaire de l'uranium 235 : M = 235 g.mol-1.
3. Comparer cette valeur à la consommation électrique annuelle française (environ 500 TWh).
Éléments de réponse
