Dernière modification le 15 décembre 2023
Depuis les bombardements atomiques d’Hiroshima et Nagasaki en 1945, l’énergie nucléaire suscite bien des inquiétudes. En effet, il en résulte que la radioactivité représente un phénomène dangereux et inquiétant pour le public. Aussi les catastrophes des centrales nucléaires de Tchernobyl et de Fukushima plus récemment n’ont rien fait pour nous rassurer. Mais il existe une grande confusion entre nucléaire et radioactivité. Saviez-vous que la radioactivité constitue en soit un phénomène naturel ?
La découverte de Henri Becquerel
En 1896 le physicien français Henri Becquerel découvre que certains atomes se coupent spontanément en 2. Ce type d’atomes représente une faible minorité. On les appelle les atomes radioactifs. En se transformant spontanément en 2, il libère de l’énergie dite nucléaire ainsi que différents types de rayonnements radioactifs appelés alfa, bêta et gamma. Ainsi il existe une radioactivité dite naturelle qui existe depuis toujours. Par exemple, les régions montagneuses et granitiques présentes une radioactivité plus importante. En effet, la composition atomique des sols présente une proportion d’atomes radioactifs plus importants et donc explique une radioactivité accrue.
Une découverte accidentelle avec de l’Uranium exposé
Henri Becquerel découvrit accidentellement ce phénomène nouveau. En effet des cristaux non exposés à la lumière pouvait impressionner une plaque sensible. Ils émettaient un rayonnement capable de traverser le papier. A chaque fois, l’Uranium présent constituait tous ses échantillons. La concentration en uranium ainsi que le temps d’exposition augmentent la quantité de rayonnement. Aussi cette découverte des rayons fit sensation. Mais physiciens et chimistes s’interrogèrent. Comment des atomes d’Uranium vieux de plusieurs milliers d’années pouvaient-il émettre constamment sans s’arrêter de l’énergie ? Cela violait le principe de conservation de l’énergie. Deux ans plus tard, Pierre et Marie Curie appelèrent cela radioactivité. Il s’agit d’une émission continue d’énergie des atomes d’uranium. Mais la question de son origine restait en suspens. A ce moment un autre physicien s’intéressa vivement cette source d’énergie mystérieuse.
L’expérience fondatrice d’Ernest Rutherford
Le scientifique néo-zélandais Ernest Rutherford a manifesté très tôt son génie pour l’expérimentation et connu de nombreux succès scientifiques. En 1899, il publia les résultats d’une expérience décisive. En effet, il couvrit ses échantillons d’uranium avec des feuilles métalliques d’épaisseurs différentes. Aussi il mesura le courant qui passait entre deux plaques chargées de part et d’autre. Ainsi il put déduire que l’uranium émettait deux radiations distinctes. Tout d’abord, certains rayonnements appelés alpha étaient stoppé par une simple feuille de papier. Puis les rayons bêta pouvaient traverser plusieurs centimètres de carton. Plus tard, un autre scientifique : Paul Villard découvrit un troisième type de rayonnement plus pénétrant encore : les rayons gamma. L’origine de la radioactivité commençait à être percé.
La radioactivité avec 3 types de radiations
Les rayons alpha constituent une forme de rayonnement émis par des noyaux instables de grandes masses atomiques. Ils sont constitués de deux protons et de deux neutrons qui se combinent en une seule particule. Ces particules lourdes dissipent leur énergie dans des collisions ce qui les empêchent d’aller très loin. Cela explique qu’elles puissent être arrêtées par une simple feuille de papier. Les particules bêta ont une charge négative. Par ailleurs, elles possèdent une faible masse. Aussi elles peuvent aller plus loin que les particules alpha. Mais du métal peut stopper ces particules. Les rayons gamma ont la même forme que des ondes électromagnétiques à haute énergie. Ainsi ces rayons ne transportent aucune masse et sont donc difficile à arrêter. Néanmoins une importante épaisseur de béton permet de les stopper. C’est d’ailleurs pour cette raison que l’on déversa d’importantes quantités de béton sur le réacteur nucléaire de Fukushima.
La demi-vie atomique
Par la suite Rutherford poursuivi ses études sur la radioactivité. Il élabora une théorie en étudiant le thorium. En effet il démontra que cet élément se désintègre en suivant une loi de décroissance exponentielle. Cela signifie que le nombre d’atomes radioactifs se divise par deux régulièrement. On appelle cette durée demi-vie atomique. Ce concept remet en question l’indestructibilité de la matière de Pierre et Marie Curie. La demie vie représente donc la durée nécessaire pour que la moitié des atomes radioactifs se désintègrent. Il s’agit d’une caractéristique de chaque élément chimique. Plus tard en 1908, Rutherford reçut le Prix Nobel de chimie pour l’ensemble de son travail sur la radioactivité. Symboliquement nous entrions dans l’ère atomique.
La naissance de l’ère atomique
Le prix Nobel de Rutherford consacra son éminent travail sur la radioactivité. Néanmoins il n’acquis pas la satisfaction. Aussi Rutherford plaçait la physique au-dessus des autres sciences. En effet, il comparait les autres sciences à de la philatélie. Mais l’atome et la radioactivité le poursuivirent. En effet, il acquit une chaire à l’Université de Manchester en 1907. Le fait de prouver que les particules alpha constituaient des atomes d’hélium sans électron lui valu une belle notoriété. Aussi il poursuivit pendant 4 ans plus tard, ses recherches sur la déviation des particules alpha. Ainsi sa démarche le conduisit à sa plus importante découverte : le noyau atomique. Au centre de l’atome se trouve un noyau contenant toute la masse ainsi que toute la charge positive de l’atome. Par la suite, la théorie quantique permit de valider le modèle de l’atome de Rutherford.
La réaction de fission nucléaire provoque de la radioactivité
Il existe une radioactivité naturelle avec laquelle l’homme peut vivre normalement. Mais le problème se pose avec les centrales nucléaires et la gestion des déchets. Mais avant d’aborder cette question, réfléchissons sur comment fonctionne le cœur d’un réacteur nucléaire. Tout d’abord comme nous l’avons vu en préambule, il existe une partie des atomes dits radioactifs. Parmi ceux-ci l’uranium 235 possède la particularité de se briser en plusieurs noyaux plus petits lors d’un bombardement de neutrons. Cette transformation est une réaction nucléaire, plus précisément une réaction de fission nucléaire. La fission dégage de l’énergie sous forme de chaleur, que l’on peut donc utiliser pour produire de l’électricité. Cette réaction s’accompagne également de rayonnements alpha, bêta et gamma et libère un ou plusieurs neutrons.
Attention à la surchauffe !
Ces particules sont susceptibles, à leur tour, de provoquer une réaction de fission d’un noyau d’uranium. Il s’agit d’une réaction en chaîne. Cette réaction peut libérer énormément d’énergie en peu de temps si elle n’est pas ou mal maitrisée. Il s’agit de la même réaction que lors d’une explosion atomique. En effet, l’énergie dégagée devient très vite considérable. Aussi sans précaution, la réaction en chaîne conduit à une explosion : une bombe atomique ! Convenablement maîtrisée dans un réacteur nucléaire à l’aide de barres de commande, cette réaction en chaîne peut constituer la source d’énergie nécessaire au fonctionnement d’une centrale électrique.
Comment fonctionne une centrale nucléaire ?
Une centrale nucléaire est une centrale thermique qui utilise l’énergie fournie par un réacteur nucléaire. Ce réacteur produit une grande quantité de chaleur qui est captée par de l’eau sous pression circulant dans le circuit primaire en circuit fermé. Par l’intermédiaire du générateur de vapeur, l’eau sous pression du circuit primaire communique sa chaleur à l’eau d’un deuxième circuit fermé, le circuit secondaire. Il est ainsi possible d’obtenir de la vapeur à haute pression dans ce circuit secondaire. La pression de cette vapeur fait tourner à grande vitesse une turbine qui entraîne elle-même un alternateur qui produit une tension alternative sinusoïdale. A la sortie de la turbine la vapeur est refroidie pour se transformer en eau, puis renvoyée dans le générateur de vapeur.
L’importance de la turbine dans une centrale électrique
Il existe plusieurs types de centrales électriques. Mais à chaque fois, la turbine constitue la pièce maitresse. Une turbine est essentiellement une roue destinée à transformer le mouvement d’un corps fluide, eau ou gaz en un mouvement de rotation. Des aubes enfermée dans un carter métallique constituent les éléments de base d’une turbine à eau. L’eau arrive sur ses aubes provoque un mouvement de rotation rapide. Une turbine à vapeur comporte un grand nombre de roues. En effet, on en dénombre une centaine sur un modèle de puissance portant des ailettes. La vapeur sous pression traverse d’abord les roues de petit diamètre avant d’atteindre les roues de plus grand diamètre. La turbine tourne alors en entraînant l’alternateur qui lui est couplé. Ainsi l’énergie mécanique se convertit en énergie électrique.
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Le nucléaire représente 75% de notre énergie électrique. Mais votre installation électrique respecte-t-elle les normes ? Notre article sur les consignes à respecter peut vous intéresser.
