Principe et fonctionnement de la fission nucléaire
1) Qu'est ce qu'une réaction nucléaire ?
La liaison des protons et des neutrons induite par des forces très intenses au sein du noyau est la source de l'énergie nucléaire.
Pour aider à comprendre, voici tout d'abord, une présentation de l'atome et des forces auxquelles le noyau est soumis.
Pénétrons maintenant au cœur de l'atome, dans le noyau. Celui-ci est un assemblage de protons et de neutrons concentrés dans un très petit volume et soumis à deux forces différentes: la force nucléaire forte et la force électrique.
"force électrique et force nucléaire se compensent pour assurer la cohésion du noyau"
- La force électrique n'agit que sur des particules chargées, attirant celles qui sont de signe opposé et repoussant celles de même signe. Cette
force agissant à "longue" distance permet aux électrons, porteurs d'une charge négative, d'être retenus autour du noyau chargé positivement.
Les neutrons, en raison de leur absence de charge, ne sont pas soumis à la force électrique. Par contre, les protons, tous de même signe positif, ont tendance à se repousser.
- Pourtant dans le noyau, les protons et les neutrons restent bien associés. Cette constatation permet de dire que la force nucléaire, qui n'agit qu'à
très "courte" distance sur les protons et les neutrons, est plus intense pour ces courtes distances que la force électrique. Cependant, la force nucléaire ne peut pas compenser à l'infini la force électrique pour la cohésion des protons et des neutrons dans les noyaux. Lorsqu'il y a beaucoup de protons, les noyaux des atomes sont moins liés et deviennent instables.
L'équivalence entre l'énergie et la masse d'un noyau.
Par des techniques très précises, il est possible de mesurer la masse d'un noyau, celle d'un proton isolé ou d'un neutron isolé.
La masse du noyau est inférieure à la somme des masses de chacun de ces nucléons.
Qu'est devenue la masse manquante?
En fait, cette masse ne disparaît pas mais se transforme en énergie.
La célèbre formule d'Einstein, E=mc², nous permet de calculer celle -ci. En effet, cette formule associe à un corps de masse M, une énergie E ce qui est égale à sa masse multipliée par une constante C².
Cette dernière est le carré de la vitesse de la lumière dans le vide (c=300 000 km/s).
Dans le cas de notre disparition de masse, l'énergie qui apparaît est donc égale à la perte de masse multipliée par la constante C². Cette quantité d'énergie sert de ciment pour tenir ensemble les constituants du noyau: on l'appelle pour cette raison l'énergie de liaison. Elle correspond à l'énergie qu'il faut fournir au noyau pour qu'il soit dissocié en nucléons isolés.
L'énergie de liaison par nucléons (équivalent à une perte de masse par nucléons) n'est pas identique pour tous les noyaux. Faible pour les noyaux légers, elle augmente jusqu'au noyau de masse moyenne, se trouvant aux alentours du fer 56, et décroît ensuite. Cette évolution de l'énergie de liaison indique que les atomes les plus liés sont les atomes de masse moyenne. Leur perte de masse est plus grande par nucléons. Donc, toutes les transformations de noyaux tendant à produire des noyaux de masse moyenne vont permettre de libérer de l'énergie nucléaire.
Ces transformations sont appelées réactions nucléaires.
Les constituants de la matière sont les atomes comprenant un noyau chargé positivement et des électrons négatifs qui tournent autour.
Le noyau atomique est très petit (environ 10-12 mm) comparé à l'atome (10-7 mm).
2) Principe de la Fission nucléaire et réaction en chaîne.
''l'énergie nucléaire se libère de deux façons : où le noyau fusionne avec un autre noyau où il se casse en deux.''
Les réactions nucléaires libératrices d'énergie sont donc de deux types.
Dans la cas de la fission (plus simple à réaliser sur Terre que la fusion de deux noyaux), il s'agit de la cassure d'un noyau très lourd en deux noyaux de taille moyenne, sous l'impact d'un neutron.
Cette" fission" se répète, produisant une réaction en chaîne.
Réaction en chaîne
La fission est donc, comme expliqué précédemment, la rupture d'un gros noyau (noyau d'uranium 235, par exemple) qui, sous l'impact d'un neutron, se scinde en deux noyaux plus petits. La fission s'accompagne d'un grand dégagement d'énergie.
Simultanément se produit la libération de deux ou trois neutrons. Les neutrons libérés peuvent provoquer à leur tour la fission d'autres noyaux et la libération d'autres neutrons, et ainsi de suite...
On a une réaction en chaîne puisqu'en induisant une seule fission dans la masse d'uranium, on peut obtenir si on ne contrôle pas les neutrons aux moins 2 fissions, qui vont provoquer 4, puis 8, puis 16, puis 32...
3) Principales utilisations de la réaction en chaîne
" Dans les centrales nucléaires, la réaction en chaîne est stabilisée,
alors que dans les bombes atomiques elle est au contraire amplifiée."
Les deux principales utilisations de la fission sont les centrales nucléaires et les bombes nucléaires de type A.
- Dans les réacteurs, la réaction en chaîne est stabilisée à un niveau donné, c'est à dire qu'une grande partie des neutrons est capturée afin qu'ils ne provoquent pas d'autres fissions. Il suffit seulement qu'un neutron, à chaque fission, provoque une nouvelle fission pour libérer régulièrement de l'énergie.
- Au contraire, pour la bombe, la réaction en chaîne doit être la plus divergente possible dans le temps le plus court: on favorise sa croissance exponentielle et l'on confine l'énergie le plus longtemps possible. La réalisation d'une bombe nécessite de grandes connaissances technologiques et un matériau fissile très pur.
En Europe 35% de l'électricité est produite par le nucléaire. En France, la production d'électricité nucléaire est d'environ 78%.
4) Les centrales nucléaires
Les différents réacteurs induisant la fission s'étalent sur plusieurs générations.
Les réacteurs du passé de génération 1 ont été les premiers construits avant 1970. Ensuite les réacteurs actuellement en service s'insèrent dans la génération 2.
Nous étudierons précisément les réacteurs du futur ( IIIème et IVème générations) dans la troisième partie sur les autres réacteurs à avenir nucléaire.
Fonctionnement d'une centrale
La pression est maintenu à environ cent cinquante cinq bars à l'aide d'un pressuriseur , ce qui l'empêche de bouillir. l'eau circule dans un circuit fermé qui constitue le circuit primaire à l'aide d'un générateur de vapeur, d'une pompe, d'une cuve et du pressuriseur . Le circuit primaire est le seul à être en contact avec la radioactivité.
Les différents circuits d'une centrale
Le circuit primaire transmet sa chaleur à l'aide de l'eau sous pression qui circule à l'intérieur et chauffe l'eau circulant dans un autre circuit fermé appelé le circuit secondaire. L'échange de chaleur s'effectue dans un grand échangeur de chaleur cylindrique composé de milliers de tubes qui permet de transformer l'eau du circuit secondaire en vapeur, l'échangeur est donc un générateur de vapeur. Un alternateur, couplé à une turbine, convertit finalement l'énergie cinétique en électricité qui alimente le réseau haute tension. La turbine, le générateur de vapeur et la turbine forment ainsi le circuit secondaire.
Le circuit primaire transmet sa chaleur à l'aide de l'eau sous pression qui circule à l'intérieur et chauffe l'eau circulant dans un autre circuit fermé appelé le circuit secondaire. L'échange de chaleur s'effectue dans un grand échangeur de chaleur cylindrique composé de milliers de tubes qui permet de transformer l'eau du circuit secondaire en vapeur, l'échangeur est donc un générateur de vapeur. Un alternateur, couplé à une turbine, convertit finalement l'énergie cinétique en électricité qui alimente le réseau haute tension. La turbine, le générateur de vapeur et la turbine forment ainsi le circuit secondaire.
Pour que le système fonctionne en continu, il faut qu'il soit maintenu à une température suffisamment froide. Ainsi il y a un troisième circuit indépendant des deux premier qui porte le nom de circuit de refroidissement. Au contact de milliers de tubes dans lesquels circulent de l’eau froide (issue d'une source extérieure comme la mer ou une rivière), la vapeur se condense, redevient de l’eau liquide et est renvoyée vers le générateur de vapeur pour un nouveau cycle, cet étape s'effectue dans un condenseur et d'une pompe . L'eau du condenseur peut donc être rejetée, légèrement chauffée, c'est-à-dire à environ trois degrés de plus que de la source d'où elle provient mais peut aussi retourner en partie dans le circuit secondaire.
Si le débit de la source est considérée comme trop faible, ou si on veut limiter qu'elle se réchauffe, on utilise des tours de refroidissement appelés aéroréfrigérants. L'eau chaude provenant du condenseur tombe sous forme de pluie. Cette pluie est refroidie par un grand courant d'air dû à la forme particulière de l’aéroréfrigérant. Elle est récupérée au pied de l’aéroréfrigérant. L'eau repart donc dans le circuit secondaire , retournera dans sa source ou lorsque l’air refroidit la pluie, elle se charge en humidité et se transforme en nuage de vapeur d’eau. 1,5 % de cette eau s'évapore dans l'atmosphère, ce qui donne les grands panaches blancs au dessus des aéroréfrigérants
Les différents bâtiments d'un site nucléaire
Un site nucléaire est composé de plusieurs bâtiments. Il y a bien sur le bâtiment du réacteur qui est constitué d'une double enceinte en béton,avec une hauteur d'environ soixante mètres et un diamètre de cinquante mètres. Il y a également une salle des machines dans laquelle il y a l'alternateur et le condenseur. Une salle est créée à proximité d’un fleuve ou d'une source d'eau pour le pompage de l’eau.
Une centrale nucléaire regroupe aussi l’ensemble des installations permettant la production d’électricité. Elle comprend plusieurs tranches (une tranche nucléaire est l'ensemble constitué du réacteur et du système de production d'électricité). Toutes les fonctions importantes d'une tranche nucléaire sont commandées et surveillées depuis une salle appelée: «salle de commande». Les opérateurs veillent au fonctionnement de la centrale et à la marche du réacteur. Le "pilotage" est donc télécommandé grâce à un système automatisé et informatisé.
Contrôles de sécurité au sein du réacteur
Pour le faire démarrer, pour l'arrêter, pour le faire fonctionner à différents niveaux de puissance, il faut agir sur l'intensité de la réaction en chaîne à l'aide de barres de contrôle constituées de matériaux qui absorbent les neutrons. La descente des barres dans le cœur du réacteur provoque le ralentissement de la réaction en chaîne.
On peut ainsi faire varier la puissance du réacteur en enfonçant plus ou moins profondément les barres de contrôle au milieu du combustible. En cas de problèmes, des barres de sécurité tombent automatiquement dans le cœur du réacteur pour le stopper instantanément.
Le personnel
Une centrale nucléaire demande un personnel spécialement formé pour les conditions particulières qui régissent leur travail. L'équipe d'exploitation compte par exemple plusieurs centaines de personnes.
Les agents assurent une surveillance constante en se relayant vingt-quatre heures sur vingt-quatre. Il y a les agents de conduite qui dirigent les tranches de la centrale. Les agents de sûreté ou de radioprotection qui veillent au fonctionnement des équipements et à la sécurité du personnel. Les agents de sécurité qui assurent la protection du site. Les agents de maintenance qui entretiennent les différents composants et matériels du site. Les agents de la chimie et de l'environnement qui analysent les fluides et gaz rejetés par la centrale et effectuent des contrôles sur l'environnement. Et les agents de la gestion et de l'administration qui gèrent le budget et les tâches administratives, commerciales et de communication.
Dans les centrales françaises, la maintenance est organisée à trois niveaux complémentaires.
- Il y a une maintenance quotidienne durant laquelle, les agents de maintenance surveillent les équipements et effectuent des réparations si nécessaires.
- Ensuite, il y a la maintenance annuelle programmée. Chacune des parties de la centrale est arrêtée pour une durée avoisinant les 5 à 6 semaines pour charger les réacteurs avec du combustibles et pour effectuer les réparations et d'entretien de grande ampleur.
- Enfin, une visite décennale est organisée durant laquelle il y a cent jours d’arrêt. Une inspection complète et détaillée de la centrale est effectuée. Des réglages sont effectuer au niveau de la centrale
La masse critique
Les neutrons peuvent être capturés par certains noyaux d'atomes (l'uranium 238 présent dans la masse d'uranium avec l'uranium 235, par exemple) ou s'évader sans provoquer de fissions. Pour que la réaction en chaîne s'établisse, il faut donc rassembler en un même volume une masse suffisante de noyaux fissiles, appelée " masse critique". Celle -ci est un paramètre important pour une utilisation militaire de l'énergie nucléaire où (contrairement à son utilisation dans le civil) la réaction en chaîne doit se propager très vite et sans limite.
