L’énergie nucléaire

 

 

 

 

         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

         Le terme d’énergie nucléaire a deux significations.Tout d’abord, l’énergie nucléaire correspond à l’énergie de liaison permettant la force de cohésion entre les nucléons du noyau d’un atome. Elle s’oppose et est supérieure à l’interaction électrique, force répulsive entre les protons. Il existe la force nucléaire forte qui lie les protons et neutrons entre eux au cœur du noyau atomique. Elle n’agit que sur une distance égale à la dimension du noyau soit 10-15m. Il y a aussi la force nucléaire faible, elle agit sur les particules et les neutrinos. C’est elle qui est responsable de la radioactivité β. L’association de ces deux forces permet la production de réactions nucléaires. Il existe deux sortes de réactions créées par le bombardement du noyau : la fusion et la fission.

L’énergie nucléaire correspond également à l’énergie libérée par les réactions nucléaires. Il s’en libère lors des réactions de fusion  nucléaires au cœur des étoiles mais aussi lors de réactions provoquées artificiellement par les hommes comme dans les centrales nucléaires ou lors des essais nucléaires.

Les deux types de réactions nucléaires obéissent aux lois de Soddy (voir désintégration radioactive).

 

 

La vallée des atomes                Source: CEA

La fission

 

        La fission nucléaire est un phénomène radioactif se produisant lors de la désintégration d’un atome dit radioactif. Il existe deux types de fission une dite spontanée et l’autre dite provoquée. Tout d’abord, la première apparait quand un atome se désintègre naturellement en émettant une particule et un rayonnement ionisant. La fission spontanée est à l'origine de la radioactivité. Dans ce cas-là, l’absorption d’un neutron extérieur n’est pas indispensable. Cette fission est limitée puisqu’elle ne fonctionne qu’avec des noyaux lourds, l’énergie de liaison par nucléon est plus faible que celle des noyaux moins lourds nouvellement formés. Suite à une fission spontanée, la masse des noyaux devient inférieure à la masse du noyau avant réaction, expliquant l’énorme quantité d’énergie libérée. Les noyaux d'uranium 235 (à très faible quantité), de plutoniums 240 et 244 et le californium 254 sont spontanément fissiles.  Vient ensuite la fission induite,  elle consiste à casser un noyau lourd afin qu'il se transforme en deux noyaux plus légers.

 

Cette réaction s’accompagne également de l’émission de particules comme des protons, des neutrons… La fission naturelle est très rare, ainsi pour provoquer la fission, il faut bombarder le noyau radioactif avec un neutron, la structure du noyau est modifiée, le rendant instable.  Celui-ci se divise en deux atomes plus légers qui iront émettre d’autres neutrons. Le neutron, de par  sa nature électriquement neutre, lui permet de pénétrer facilement dans les noyaux, sans se soucier de la barrière coulombienne.

 

 

 

 Schéma d'une fission nucléaire Source: astrosurf

 

Lors de la fissure de noyau plusieurs phénomènes sont observables, premièrement ce dégagement d'énergie, puis la libération de un ou plusieurs neutrons, qui eux-mêmes  iront fissurer d'autres noyaux. On obtient alors une réaction en chaîne. C’est un phénomène extrêmement puissant qui lorsqu’il est contrôlé permet l’accès à une source d’énergie continue puissante et compacte, utilisé dans les centrales nucléaires. Il est non contrôlé dans les armes nucléaires. Prenons l’exemple de l’Uranium 235, atome lourd.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

            Réaction en chaine de l’atome d’uranium 235      Source: energie-nucleaire.net

 

           Dans une réaction en chaine, plus la réaction en chaine est nombreuse, plus l’énergie libérée sera forte. De plus, plus le noyau cassé est lourd plus la libération d'énergie est importante, apparaissant sous forme de chaleur. C’est ce principe qui est utilisé lors de l’explosion d'une bombe atomique, créant une explosion d’une force inouïe due à des réactions en chaîne très nombreuses.  Afin d’entretenir sa production d’énergie, une réaction en chaîne a besoin d’une quantité minimale de matière, elle est appelée masse critique, dépendant de la densité, de la forme et la pureté de l’atome considéré. Il est également possible d'utiliser les réflecteurs de neutrons pour accélérer le processus de réaction en chaîne en renvoyant les neutrons expulsés vers les atomes. Cette technique est utilisée également dans les réacteurs nucléaires pour augmenter l'énergie produite.

Cependant, il peut arriver que le noyau ne se casse pas. Premièrement, le neutron au lieu de rentrer dans le noyau peut rebondir dessus, il y a alors un « choc élastique ». Cela  provoque une perte de vitesse du neutron, plus celui-ci est léger plus la vitesse perdue sera importante. Deuxièmement, le neutron peut être absorbé par le noyau sans le casser, la masse du noyau va alors augmenter devenant un isotope de l’élément initial.

            Lors de la fission, l'énergie libérée est de 179,0 MeV et son émission de neutrons est de 2,47 pour l'uranium 235, dans le cas du plutonium, l’énergie libérée est de 186,4 MeV dont 2,91 neutrons.

L’uranium 235 émet un noyau de Lanthane et de Brome et 3 neutrons ou bien un noyau de strontium 94, un noyau de Xénon 140 et 2 neutron lors de la fission.

 

 

 

 

 

 

 

• Bombe A :

 

La bombe dite bombe atomique, utilise le principe de la fission. Pour cela, la masse critique doit avoir un coefficient k égale à 1, correspondant à une constance entre les neutrons produits et ceux absorbés ou perdus lors de la fission. Si k est inférieure à 1 la masse est qualifiée de sous-critique et si elle est supérieure à 1 elle est dite supercritique. Ce coefficient multiplicateur de neutron se calcule :

 

k = f - l

 

f est le nombre moyen de neutrons relâchés par fission

l est le nombre moyen de neutrons perdus

 

La masse critique peut être réduite en disposant autour de la matière fissile un réflecteur de neutrons qui est composé d’un matériau (graphite, béryllium, acier, carbure de tungstène) qui a pour propriété de réfléchir les neutrons. Ainsi la matière fissile, de l’uranium ou du plutonium, est placée dans le cœur de la bombe de forme sphérique ou bien séparée en deux morceaux distinct. La bombe se déclenche lorsque les matières fissiles sont soudainement réunies afin d’atteindre une masse supercritique. Différentes techniques sont utilisées pour déclencher la fission, par insertion et par implosion.

 

       La première méthode dite bombe à insertion ou méthode pistolet, utilise un bloc cylindrique appelé « projectile » en uranium 235 qui est propulsé dans un autre bloc creux, appelé « cible » en uranium 235. Le projectile est lancé grâce à un explosif, de la cordite, qui propulse le cylindre à une vitesse de 300 m/s. Lorsque les deux morceaux sont assemblés, la masse supercritique, soit k= 3, est atteinte et la réaction en

chaine de la fission s’active en quelques millisecondes. Cependant, cette méthode possède un inconvénient, elle ne peut pas être utilisé avec du plutonium 239 car elle n’est pas assez rapide. En effet, le plutonium 239 émet 10 fissions spontanées par seconde. Ainsi la bombe est amorcé trop rapidement ce qui peut réduire ses capacités. C’est pourquoi, la méthode par insertion n’est utilisé qu’avec de l’uranium 235 qui émet 16 fissions spontanées par seconde.

 

          La seconde méthode appelée la bombe à implosion, utilise une sphère contenant la matière fissile en la rassemblant au centre de la bombe, puis, la sphère est compressée. En effet,  la partie externe de la sphère est composée de lentilles. Ce sont des explosifs reliés entre eux par des détonateurs qui se déclenchent simultanément grâce à une impulsion électrique. En éclatant au même moment, la concentration du souffle de l’explosion se dirige vers le centre de la bombe. De plus, chaque lentilles créées une onde de choc sphérique qui se dirige vers le détonateur. Cependant, ces ondes de chocs doivent arriver, en même temps, à tous les points externes du plutonium et pour se faire,  des explosifs avec une vitesse de propagation d’onde de chocs différentes sont utilisées. Ainsi elles sont déformées et sont capables d’entrer simultanément dans la sphère centrale. La sphère se comprimant sous l’effet des ondes, se densifie ce qui permet d’atteindre la masse supercritique et la détonation de la bombe atomique. Cette technique est environ 100 fois plus rapide que celle par insertion, ainsi elle permet d’utiliser le plutonium 239 comme matière fissile. Par conséquent, la bombe par implosion nécessite moins de matière puisque la masse critique du plutonium est de 10 kilogrammes contre 48kilogrammes pour l’uranium.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Schéma d'une bomme A par implosionsion Source:deschamps-web.com

 

La masse critique peut être diminuée  en mettant entre l'explosif et la matière fissile, différentes couches ce qui augmente la durée de l'onde de choc, prolongeant ainsi l'explosion, et ralenti la perte de neutrons, grâce au réflecteur à neutrons..

 

La fusion

 

       La fusion nucléaire, est plus difficile à réaliser que la fission mais produit jusqu’à quatre fois plus d’énergie, consiste  à réunir des noyaux légers pour en former un noyau plus lourd. Lors de cette réaction, des particules tels que des protons, des neutrons ou autres sont émis. Pour permettre la fusion de deux noyaux, ces derniers doivent se rapprocher jusqu’à entrer en contact. Pour cela ils ont besoin de posséder une très grande vitesse pour contrer la répulsion coulombienne, répulsion électrique provoquée par les charges positives portées par chaque noyau. Ainsi, pour permettre aux atomes de fusionner, la réaction a besoin de très hautes températures de l’ordre de 100 000 000 de degrés Celsius, elle est alors qualifiée de fusion thermonucléaire. Les étoiles et notre Soleil utilisent ce principe afin de dégagé de l’énergie d’où la température de l’ordre de 15 millions de degrés au cœur du Soleil.

Par exemple, lorsqu’un noyau de tritium (T) et un noyau de deutérium (D) fusionnent, un noyau d'hélium 4 est produit, un neutron et de l'énergie sont émis. L’énergie minimale à fournir pour obtenir cette fusion est de 4 keV (d’une température de 40 millions de kelvin), son énergie libérée est de 17,6 MeV dont 14,1 MeV dans le neutron émis et 3.5 MeV dans l’hélium 4 produit. 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Schéma du processus de fusion Source : astrosurf

 

La fusion est encore au stade de recherche, il n'existe pas encore de technologies permettant d'utiliser la fusion pour produire de l'électricité, mais ce domaine est en cours de recherche et va certainement aboutir à des innovations révolutionnaires.

 

• La Bombe H 

 

Une bombe thermonucléaire ou bombe H, utilise le principe de la fusion. Cependant, comme expliquer précédemment, pour se créer, la fusion a besoin d’une très haute température presque impossible à atteindre sur Terre. C’est pourquoi, la fission nucléaire est utilisée. Suite à une première fission, avec augmentation de la température, la fusion du deutérium avec le tritium est alors possible. L'énergie produite est incroyable, et la boule de feu (voir rubrique : Les retombées) peut atteindre 1 à 10km de diamètre, avec une onde de choc d’une distance dix fois supérieure à celle de la bombe A.

Cette possède ainsi deux niveaux. Le premier étage au sommet de la bombe est sphérique et est composé d’une bombe A, le second niveau comporte une réaction de fusion. Tout d’abord, un explosif chimique permet à un atome lourd d’uranium, ou de plutonium, de se casser et de créer la réaction en chaine de la fission afin de conserver la chaleur émisse. En effet, lorsque la masse supercritique du plutonium de la fission est obtenue par compression, la matière fissile commence à fusionner créant la réaction en chaine. Quelques nanosecondes plus tard, la quantité d’énergie nécessaire au déclenchement d’une bombe thermonucléaire est libérée. Ainsi la bombe A est utilisé comme un détonateur et projette des rayons X, en plus de l’émission d’énergie, qui rebondissent le long des parois de la bombe et frappe le deuxième étage. Sous la pression un deuxième morceau de plutonium, placé au cœur du deuxième étage, commence sa fission. Il compresse le combustible de fusion, se trouvant autour du plutonium,  et les atomes du deutérium et du tritium fusionnent. Les neutrons dégagés déclenchent une nouvelle fission dans l’enveloppe d’uranium qui entoure la fusion. Accompagné par l’énergie de la fusion sous forme d’onde de choc, l’énergie de la bombe augmente en quelques dixièmes de secondes et la bombe H explose. Un troisième étage, plus volumineux que le deuxième, peut être utilisé pour décupler la puissance de la bombe H. La fusion y est déclenchée par l’énergie émise par la fusion précédente.

L'explosion d'une bombe H est très courte, elle est de soit 600 nanosecondes. Dont 550 pour la fission et 50 pour la fusion.

 

A : Bombe avant explosion 
B : L'explosif haute puissance détonne dans le premier étage, comprimant le plutonium et démarrant une réaction de fission.
C : Le premier étage émet des rayons X qui sont réfléchis à l'intérieur de l'enveloppe et irradient la mousse de polystyrène.
D : La mousse de polystyrène devient plasma (Le plasma, tout comme le solide, le liquide ou le gaz, est un état de la matière. Il est ausssi appelé quatrième état de la matière où des noyaux sont entourés d'énormément d'électrons), comprimant le deuxième étage, le plutonium commence alors un processus de fission.
E : Comprimé et chauffé, le deutérure de lithium 6 entame une réaction de fusion et un flux de neutrons démarre la fission de l'uranium 238. Une boule de feu commence à se former…

 

 

A : étage de la fission
B : étage de la fusion

1. Lentilles d'explosifs à haute puissance
2. Uranium 238 (« tampon »)
3. Vide (« lévitation »)
4. Gaz de tritium (« surcharge », en bleu) 
5. Mousse de polystyrène
6. Uranium 238 (« tampon »)
7. Deutérure de lithium 6 (combustible de la fusion)
8. Plutonium (allumage)
9. Enveloppe réfléchissante 

source des schémas:e-monsite.com

 

 

• La Bombe N :

 

Une troisième bombe nucléaire existe, c’est la bombe à neutron, également appelée bombe N ou bombe à rayonnement renforcé. Sa structure externe est composée de nickel ou de chrome afin que les neutrons ne s’échappent pas. Elle utilise le principe d’une bombe thermonucléaire (fusion-fission) associé à des radiations renforcées. Le flux de neutrons,  provoqué par la fusion, est libéré au lieu d’être absorbé, ainsi la majorité de l’énergie est émise par des neutrons. Ainsi, le rayonnement neutronique, qui est un rayonnement ionisant, est très nocif pour les êtres vivants puisqu’il attaque les tissus organiques, cependant la bombe à neutron n’est pas d’une très grande puissance.  De plus, l’effet de la bombe à neutron tuant le maximum de personne pour le moins dégâts matériels n’est valable que pour des puissances inférieures à 2 kt. Pour créer cette réaction, il faut placer la matière fusible à côté de la bombe A, à une distance donnée afin d’éviter que l’énergie dégagée par la bombe A pour la fusion ne soit totalement libérée avant la libération des neutrons. Ainsi, la fusion est soumise aux effets de la fission dans un ordre déterminé par la vitesse de propagation des phénomènes. Par conséquent,  les rayons X émit par la fission atteignent la matière fusible en premier, suivi ensuite par les neutrons de fission. Ensuite, une onde de choc arrive sur la matière fusible, suivi enfin par les débris de la bombe A. L’intérêt de cette bombe, avec sa portée de souffle restreint, est de détruire toute forme de vie, tout en conservant les infrastructures, bien que l’onde de choc en détruise une petite partie. En effet, lors d’une explosion classique, l’onde de choc représente 50% contre 10 à 20% pour la bombe N, de l’énergie émise. La fusion est essentielle à la bombe à neutre puisque, l’émission de neutron est environ 3.85 fois plus fort lors d’une fusion que dans une fission. En effet, en fusion le neutron émet une énergie de 14.1 MeV à une vitesse de 51 400km/s et en fission le neutron émet une énergie moyenne de 1 MeV à une vitesse de 19 500 km/s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Les différents engins nucléaires testés

 

 

• Fusion dopée

Une arme à fission dopée  utilise peu de matière fusible afin d’augmenter la puissance de l’arme. Les neutrons libérés par les réactions de fusion assemblés avec les neutrons libérés par la fission, provoquent une augmentation des réactions de fission avant que le cœur n'explose véritablement. Testées de 1966 à 1967.

 

• AN 52

L’AN-52 est un engin nucléaire de type atomique comportant  une charge explosive de 25 kt de TNT, possédant une longueur d'environ 3 mètres et  pesant moins d’une tonne. Testée de 1966 à 1974 (3 fois) pour un Mirage III-E, un Jaguar et un Super-Etendart ; et larguée par un tir en basse altitude. L’arme est en service de 1973 à 1991.

 

• AN 11

L'AN-11 est le premier engin nucléaire français et utilise la fission, à plutonium, c’est une bombe par insertion qui pèse environ un tonne et demi. Lancée pour un Mirage IVA à haute altitude, elle a été testée une seule fois à Moruroa en 1966  avec une charge explosive de  60 kt de TNT. Utilisée en France de 1963 à 1967.

 

 

• MR 31

Le MR 31 est un engin nucléaire qui utilise la fission au plutonium et possède une puissance de 130 kt de TNT. Il est lancé en haute altitude pour un missile S2 Albion. Il est utilisé de1971 à 1983.

 

• MR41

Le MR 41 est une tête nucléaire à uranium enrichi à fission dopée avec du tritium. Lancée pour les missiles M1 et M2 SNLE à une haute altitude. Il a une puissance de 500 kt de TNT. Il est testé trois fois de 1966 à 1968 et entre en service en 1972 jusqu’en 1979.

 

• TN 60

La TN 60 est une tête nucléaire renforcé d’une puissance de 1 Mt de TNT. Testée 13 fois de 1970 à 1973 pour Pluton à moyenne altitude. Elle est en service 1976.

 

• TN 70

La TN 70 est une tête thermonucléaire d’une puissance de 150 kt de TNT, testée deux fois par le missile M4 A SNLE en 1974 et un fois en 1980 en souterrain. Mise en service en 1985 jusqu’en 1997 .

 

• TN 80

La tête thermonucléaire TN 80, d’une puissance de 300 kt de TNT est lancée pour Mirage IVP en 1974. Elle est mise en service de 1985 à 1996.

 

• TN 81 

La TN 81 est une tête thermonucléaire d’une puissance de 300 kt de TNT. Testée en souterrain pour Mirage 2000 N en 1985, elle est en service depuis 1988 et est retirée en 2007.

 

• TN 90 

La TN-90 est une tête nucléaire d’une puissance de80 kt. Testé en 1985 pour le missile Hadès. Mise en service en 1983 et retirée en 1992.

 

• TN 75

La TN 75 est une tête thermonucléaire d’une puissance de 100 kt.de TNT. Testé trois fois de 1955 à 1996 pour les missiles M45. En service depuis 1997.

 

Une tête nucléaire est la partie antérieure d'un projectile de forme ogivale charge nucléaire destiné à doter certains missiles.