L'énergie nucléaire

Rapide présentation

Lors d'une désintégration spontanée il y a de l'énergie libérée sous deux formes :
- cinétique, car les particules qui sont expulsés et le noyau ont une vitesse.
- Rayonnante, car les rayons gamma sont des rayonnements électromagnétiques de très courtes longueurs d'ondes mais d'énergie très élevée.
Cette énergie provient de la différence de masse en effet dans une réaction nucléaire la masse des noyaux après la réaction est toujours inférieure à celui du noyau d'origine. On appelle cette différence la perte de masse et elle est toujours positive. On écrit alors

Perte de masse = m avant - m après.

On a longtemps cherchez à calculer l'énergie fournie lors d'une désintégration. Une personne à réussi à trouver une relation permettant de calculer cette énergie émise. On va maintenant chercher à calculer l'énergie produite dans les réactions grâce à la relation d'Einstein.

        
Einstein a démontré que tout corps au repos possède une énergie Eo.

Eo = m*

Eo s'exprime en joules, m est en kg et c représente la vitesse de la lumière, environ égale à 300 000 m.s-1.
Einstein a aussi proposé une loi disant que une particule de masse m possède une fois mis en mouvement une énergie qui est égale à la somme des énergies : celle au repos (Eo) et son énergie cinétique (Ec)
Donc E = m* + Ec.

Pour calculer l'énergie libérer dans une désintégration il faut donc adapter ces lois.
Avant la réaction E = m avant *c2 car le noyau est au repos. Après la réaction E = m(produit) + Ec + E car une grande partie de l'énergie est libéré pour créer des rayonnements gamma.

Donc m avant* = m(produits)* + Ec + E.

Einstein a pensé que l'on pouvait regrouper les masses de chaque cotés ce qui donne alors cette relation :
(Perte de masse)* = Ec + E.

Il faut donc multiplier la perte de masse par la vitesse de la lumière au carrée pour obtenir l'énergie libérée.

Les unités.

A l'échelle atomique le joule est aussi pratique que le kilogramme. On utilise donc une unité plus adaptée pour calculer l'énergie produite par réaction nucléaire ; on a ainsi l'électronvolt (eV) et le mégaélectronvolt (MeV).

1eV = 1,602*10-19 Joules et 1MeV = 1,602*10-13 Joules.

On va donc maintenant montrer quels sont les deux moyens connus pour obtenir cette énergie de manière artificielle.

La Fission.

    Découvert en partie grâce à Frédéric et Irène Joliot-Curie, la fission a pour principe de scinder un noyau lourd en deux ce qui dégage de l'énergie. Elle fut identifiée comme telle en 1938 avec O Hahn et F Strassman, grâce à leur fission de l'uranium 235. Prenons ce cas car c'est le principal utilisé dans les fissions de nos jours. Pour réaliser cette fission il faut réunir plusieurs facteurs :* il faut que le noyau d'uranium soit percuté par une particule neutre (sinon elle serait repoussé ). On utilise donc le neutron découvert en 1932 par Chadwick.
*Il faut aussi que la particule, le neutron, aie une énergie cinétique très précise (environ 0,02MeV). Cette énergie cinétique est très importante car trop lent la particule heurterait le noyau d'uranium et rebondirait dessus, alors qu'avec une vitesse trop grande le neutron transpercerait de par en par le noyau d'uranium sans s'arrêter.
Quand ces deux conditions sont réunies le noyau capte le neutron et devient alors de l'uranium 236 très instable. Il se déforme alors et se casse en deux noyaux de masse inégale. Le plus souvent on obtient alors du strontium 94 et du xénon 140 mais on symbolise cette réaction comme cela :

La fission est donc une réaction nucléaire provoquée qui a pour but la division d'un noyau en deux autre plus léger sous l'impact d'un neutron. La fission est la réaction utilisée dans une centrale nucléaire car elle a un avantage elle s'autofournit en neutron. En effet lorsqu'un noyau se fissionne il libère en moyenne 2,5 neutrons ces neutrons vont alors fissioner avec d'autre noyau d'uranium 235 ( U). Dans la nature l'uranium 235 représente moins d'un pour-cent de l'uranium la réaction en chaîne n'a donc pas lieu en effet il y a trop peu de noyau fissible ( uranium 238). C'est pour cela que les centrales nucléaires utilisent de l'uranium enrichi : c'est de l'uranium naturel enrichi en noyau fissible.


  Malheureusement l'énergie libérée est très peu supérieur à celle fournit : il faut en effet environ 7,7 MeV pour donner l'énergie cinétique nécessaire au neutron et la réaction en elle même dégage 8,7 MeV en moyenne. Il y a donc un gain de 1 MeV par désintégration.
Il y a un autre effet négatif à la fission c'est sa pollution. En effet les rayonnements sont plutôt polluant et dangereux.

La Fusion.

    La fusion est le deuxième moyen de produire une énergie dîtes nucléaire. Ce système existe depuis la création de l'univers et est utilisé par exemple par le soleil. Il produit ainsi 3,9*10 23 kilowatts.
La fusion est en fait une réaction provoquée dans laquelle deux noyaux légers s'unissent afin de former un seul noyau lourd. On utilise souvent comme exemple le deutérium et le tritium. Ce sont des isotopes de l'hydrogène ayant pour formule respective H et H. Cette fusion donne un atome d'hélium et un neutron libre.
On écrit alors cette réaction ainsi :


    Au point de vue énergétique cette forme de production a de nombreux avantages : en effet l'énergie fournie pour créer cette réaction est d'environ 4 MeV. Celle récupérée à la fin de la fusion est d'environ 8 MeV. Il y a donc ce coup là un gain de presque 4 MeV. D'autre part ce procédé est beaucoup plus propre que la fission car elle n'engendre pas toute la pollution de la fission du fait qu'il n'y a pas d'élément radioactif à la fin de la fusion.
Il y a aussi un point négatif sinon la fission aurait été remplacé et depuis longtemps. La fusion est aussi appelée énergie thermonucléaire : il faut en effet briser les forces de répulsions électriques de deux noyaux avant de les faire fusionner et pour cela il faut chauffer le tout à plus de 100 millions de degrés ce qui pose d'énorme problème d'énergie. En effet on a réussi à produire plusieurs mégawatts pendant plusieurs secondes notamment grâce au grand Tokamak de Cadarache appelé Tore Supra : c'est un grand tube très hermétique où a eu lieu la première fusion de l'histoire. La prochaine étape est donc de réussir à faire s'autofournir cette réaction de fusion : il faudra juste faire chauffer le milieu et une fois cela fait une petite partie de l'énergie sera utilisée pour garder le milieu aussi chaud.
Pour l'instant la fusion est donc utilisée seulement pour l'armement : c'est le principe de la bombe thermonucléaire.



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