NUCLÉAIRE (notions de base)

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Les applications de la physique nucléaire

La tendance, naturelle ou non, des noyaux atomiques à subir des transformations et l’énergie qui est ainsi dégagée ont de nombreuses applications civiles. La production d’énergie reste l’utilisation la plus connue de la physique nucléaire. Mais celle-ci est aussi employée dans de nombreux autres domaines, en particulier dans les sciences du vivant (biologie et médecine).

L’électronucléaire

Le principe de la fission de l’uranium est connu depuis 1939 : l’absorption d’un neutron de faible énergie (neutron dit thermique) par un noyau d’uranium provoque la fission de ce dernier en deux noyaux plus légers. Cette réaction libère une grande quantité d’énergie et deux ou trois neutrons énergétiques. Si ces neutrons sont ralentis dans un matériau « modérateur », la réaction peut continuer et s’auto-entretenir. C’est cette réaction en chaîne contrôlée qui se produit au sein de tous les réacteurs à neutrons thermiques.

Tout réacteur nucléaire est composé d’un combustible capable de fissionner (uranium naturel ou enrichi en isotope 235, plutonium…), d’un matériau modérateur favorisant la capture des neutrons (eau ordinaire ou eau lourde, graphite…), et d’un fluide caloporteur capable d’évacuer l’énergie thermique produite dans le cœur (eau liquide ou vapeur, sodium liquide…). L’énergie libérée sert à produire de la vapeur d’eau sous pression qui actionne une turbine couplée à un alternateur générant de l’électricité.

Les différentes solutions technologiques adoptées pour produire de l’énergie sont appelées les « filières » de l’électronucléaire. Les plus courantes actuellement en fonction dans le monde sont :

– Les filières à eau ordinaire ; le combustible est l’oxyde d’uranium enrichi ou un mélange d’oxyde d’uranium et de plutonium (combustible Mox). L’eau bouillante (réacteur R.E.B.) ou sous pression (réacteur R.E.P.) sert à la fois de modérateur et de caloporteur. La filière R.E.P. équipe l’ensemble du parc actuel de réacteurs industriels français. Un nouveau type de réacteur, l’E.P.R., a été conçu au début des années 1990 sur les mêmes principes que le réacteur R.E.P., l’objectif étant d’améliorer la sureté et la rentabilité économique. La mise en service des premiers E.P.R., en Finlande (Olkiluoto) et en France (Flamanville), prévue respectivement en 2009 et 2012, a été repoussée de plusieurs années en raison de problèmes techniques.

– La filière à eau lourde (modérateur et caloporteur) permet d’utiliser l’oxyde d’uranium naturel comme combustible.

– La filière graphite-gaz utilise un combustible à base d’uranium, le graphite, comme modérateur et le gaz carbonique ou l’hélium comme caloporteur.

Il existe aussi une filière de réacteurs dits à « neutrons rapides », qui, à partir de l’uranium 238 naturel, produisent du plutonium en quantité inférieure, égale ou supérieure à celle qu’ils consomment ; dans le dernier cas, ils sont dits « surgénérateurs »

Enrico Fermi

Photographie : Enrico Fermi

Enrico Fermi (1901-1954), physicien italien émigré aux États-Unis, s'orienta dès 1932 vers la physique nucléaire. Il reçut en 1938 le prix Nobel de physique pour ses travaux concernant l’étude des éléments radioactifs artificiels produits par un bombardement de neutrons. Le 2 décembre... 

Crédits : Hulton Getty

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Principe de fonctionnement d'une centrale de type REP

Vidéo : Principe de fonctionnement d'une centrale de type REP

Une centrale nucléaire sert à produire de l'électricité en transformant l'énergie générée lors de réactions de fission nucléaire en courant électrique. En France, les dix-neuf centrales en fonctionnement utilisent des réacteurs à eau sous pression, dits REP. Une centrale, comme ici... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Recherche et technologies de pointe

Compte tenu de l’évolution de la population mondiale, de la consommation d’énergie par habitant et des ressources en énergies fossiles (pétrole, gaz…), de nouvelles sources doivent être développées.

La fusion du deutérium et du tritium, qui donne de l’hélium 4 (et un neutron) et dégage une grande quantité d’énergie, est une alternative sérieuse pour le futur : les ressources sont très abondantes, la filière ne contribue pas à l’effet de serre, ne produit pas de déchets à longue période radioactive et n’est pas proliférante. En revanche, la maîtrise de la fusion est bien plus complexe que celle de la fission : le milieu réactif est un plasma qu’il faut maintenir à 100 millions de degrés. La réalisation d’un réacteur à fusion fait donc l’objet d’intenses recherches et de nombreux développements technologiques, notamment dans le cadre du projet international I.T.E.R.

Projet I.T.E.R. (International Thermonuclear Experimental Reactor)

Photographie : Projet I.T.E.R. (International Thermonuclear Experimental Reactor)

Le réacteur thermonucléaire expérimental international, connu sous le nom d’I.T.E.R. (schématisé ici et occupant un volume cylindrique d'environ 25 mètres de diamètre et de hauteur, la personne représentée en bas de l’illustration donnant l’échelle), a pour objectif d'étudier la... 

Crédits : I.T.E.R./ D.R.

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Les sciences du vivant et autres applications

Les techniques liées à la physique nucléaire sont loin d’être réservées à la production d’électricité ou à l’armement, et leurs applications sont nombreuses dans le domaine des sciences du vivant.

L’imagerie nucléaire est une branche de la médecine nucléaire qui repose sur l’utilisation d’éléments radioactifs préalablement administrés au patient et d’une caméra enregistrant le rayonnement émis par l [...]

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Composants de base de l'atome

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Pour citer l’article

« NUCLÉAIRE (notions de base) », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 15 mai 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/nucleaire/