Fission nucléaire: L'uranium, un matériau aux propriétés particulières

Dans l’antiquité, les Grecs avaient acquis la conviction que les atomes ne peuvent être divisés (atomos, en grec ancien, signifie «indivisible»). Pourtant, en 1938, des scientifiques allemands découvraient à l'occasion d'une expérience novatrice qu'il était bel et bien possible de diviser des atomes.

Par la suite, des physiciens du monde entier ont encore fait une découverte: lors de la fission des noyaux atomiques très lourds d’uranium, non seulement une quantité très importante d’énergie est libérée, mais le processus de fission peut aussi être contrôlé de sorte que la fragmentation des atomes d’uranium entraîne la fission d’autres atomes d’uranium lors d’une réaction en chaîne, et que la libération d’énergie se poursuive de façon auto-entretenue, sans qu'aucun nouvel apport d’énergie ne soit nécessaire.

Ce phénomène naturel est à la base de l’utilisation de l’énergie nucléaire pour la production de courant électrique par les centrales.

L’uranium est omniprésent: dans les roches, dans les océans, mais aussi dans notre alimentation et dans notre eau de boisson. Il est né il y a des milliards d’années, lorsque, suite à des explosions d’étoiles, plusieurs éléments légers ont donné naissance à d'autres éléments de plus en plus lourds. Il y a toujours eu de l’uranium sur terre, et il nous accompagne depuis les tout débuts de l’humanité.

C’est le chimiste allemand Martin Heinrich Klapproth qui, le premier, a découvert en 1789 l’existence de l’uranium. Pour nommer ce nouvel élément, il s’inspira de la planète Uranus également découverte à la même époque. L’exploitation minière de l’uranium commença au XIX^e siècle : il était utilisé pour teinter le verre et la céramique. En 1896, le physicien français Henri Becquerel découvrait les propriétés radioactives de l'uranium

Sous sa forme pure, l’uranium est un métal lourd argenté et brillant. Dans le tableau périodique des éléments, il porte le numéro 92, ce qui signifie que son noyau comporte 92 particules de charge positive, les protons. Le noyau est entouré d’une enveloppe de 92 électrons de charge électrique négative. L’uranium est l’élément naturel le plus lourd disponible en grandes quantités sur la Terre.

Comme d’autres métaux lourds, le plomb par exemple, l’uranium est toxique s'il est absorbé par le corps en quantités importantes. Mais ici encore, tout dépend de la dose. En faibles quantités, l’uranium n’a aucun effet délétère, ni pour la santé humaine, ni pour l’environnement. De tous temps, les hommes et les animaux ont absorbé de l’uranium par l’intermédiaire de leur alimentation et de leur eau de boisson.

Outre ses 92 protons, le noyau de l’atome d’uranium contient aussi un nombre variable de particules de charge électrique neutre: les neutrons. Comme les protons, les neutrons constituent la matière qui forme les noyaux atomiques.

L’uranium, tel qu’on le trouve aujourd’hui à l'état naturel, a un noyau atomique avec trois variantes dans le nombre de neutrons.

• Uranium 234 (92 protons + 142 neutrons = 234 particules)
• Uranium 235 (92 protons + 143 neutrons = 235 particules)
• Uranium 238 (92 protons + 146 neutrons = 238 particules)

Ces trois variantes sont appelées des isotopes. L’uranium disponible dans la nature ne contient que des traces d’uranium 234. L’isotope uranium 235, lui, en représente environ 0,7 %. La grande majorité est constituée d’uranium 238 (env. 99,3 %).

Ces deux derniers isotopes de l'uranium se distinguent par le fait que le noyau de l'atome d'uranium 235 contient trois neutrons de moins que celui de l’uranium 238, avec pour corollaire que, contrairement à l’uranium 238, l'uranium 235 est facilement fissible.

Il y a deux milliards d’années environ, la composition de l'uranium était encore différente: à l’époque, la proportion d'uranium 235, facilement fissible, était supérieure à ce qu'elle est aujourd'hui. En Afrique centrale, au Gabon, dans la région d’Oklo plus précisément, plus d’une douzaine de réacteurs nucléaires naturels ont alors vu le jour et ont dégagé de l'énergie pendant des milliers d’années. Ils fonctionnaient selon le même principe que les actuelles centrales nucléaires suisses.

Comme de nombreuses autres substances, l'uranium est radioactif. En 1938, les chimistes allemands Otto Hahn et Fritz Strassmann ont constaté, à l’aide de la physicienne Lise Meitner et de son neveu Otto Frisch, qu'outre la radioactivité, l'uranium 235 possédait la propriété toute particulière d’être facilement fissible. Sans consommer beaucoup d'énergie, celui-ci peut être divisé en deux fragments ou plus, de plus petite taille, entraînant la libération d’une quantité d’énergie très importante. Meitner et Frisch appellent ce phénomène jusqu’alors inconnu la «fission nucléaire».

L'uranium permet donc de construire des «machines à énergie», comme disaient les physiciens à l’époque. Aujourd’hui, nous appelons ces machines des centrales nucléaires. Elles utilisent les propriétés particulières de l'uranium comme source d’énergie permettant la production d’électricité.

Certes, en principe, tous les atomes sont fissibles. Mais, contrairement à l'uranium 235 (ainsi que quelques rares autres noyaux atomiques très lourds), la plupart des autres noyaux atomiques ont besoin d’une quantité d’énergie considérable pour se diviser.

L'uranium est presque exclusivement utilisé pour la production d’énergie et, de ce fait, n’a quasiment pas d’autre emploi. En cela, l'uranium se démarque nettement du pétrole qui est aussi une matière première importante pour les industries chimique et pharmaceutique.

Le réacteur d’une centrale nucléaire est conçu de telle façon que la fission nucléaire se produit impérativement dans des conditions bien précises.

Un noyau atomique de l'uranium 235 capture un neutron, lent. Du fait de ce neutron supplémentaire, le noyau entre en oscillations, si fortes que le noyau se fragmente. Cette fragmentation entraîne deux, parfois trois, nouvelles matières que l’on appelle les produits de fission, et de l’énergie est libérée. Dans le même temps, deux à trois nouveaux neutrons sont libérés. Ils peuvent à leur tour être capturés par d’autres atomes d'uranium 235 qui, alors, se fragmenteront. La condition toutefois est que ces neutrons aient été fortement freinés au préalable.

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Dans une centrale nucléaire, cette réaction en chaîne est déclenchée de façon contrôlée : lorsque le réacteur fonctionne à puissance constante, après chaque fission, un neutron en déclenche une autre. Les neutrons en surnombre sont capturés en toute sécurité par les crayons de combustible.

Dans les réacteurs à eau légère des centrales nucléaires suisses, les neutrons sont freinés par l’eau de refroidissement du réacteur. S’il n’y a pas d’eau dans le réacteur, la rapidité des neutrons reste trop importante et la fission nucléaire et la réaction en chaîne s'arrêtent. Le réacteur cesse alors de fonctionner. C’est là une caractéristique de sécurité très importante pour nos centrales nucléaires.

Lors de la fission nucléaire, l’énergie emmagasinée dans les noyaux d'uranium est libérée sous forme de chaleur. Cette chaleur permet la production de vapeur qui, dans les centrales nucléaires, va actionner les turbines et les alternateurs afin de produire de l’électricité.

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Contrairement aux énergies fossiles, l'uranium est le produit de processus cosmiques qui se sont déroulés il y a très longtemps. L'uranium que nous utilisons aujourd’hui sur terre était déjà présent dans les nuages de poussières cosmiques qui ont donné naissance à notre soleil et aux planètes. C’est la raison pour laquelle l’uranium est aussi répandu sur terre et qu’il est présent dans la quasi-totalité des formations géologiques, même si ce n’est souvent qu’en faibles concentrations.

La densité énergétique de l'uranium est extrêmement élevée. Lors de la fission nucléaire, on produit donc beaucoup plus d’énergie que lors de toute autre transformation énergétique.

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