L'énergie atomique est l'énergie qui maintient ensemble les sous-particules d'un atome. Un atome est composé de trois sous-particules : les neutrons, les protons et les électrons. Les neutrons et les protons forment le noyau et sont maintenus ensemble par des liaisons énergétiques très fortes.
L'union ou la destruction de ces liens génère une énorme quantité d'énergie qui peut être utilisée de diverses manières : électricité, armes nucléaires, propulsion des véhicules...
Souvent, lorsque nous parlons d’énergie atomique ou nucléaire, nous faisons référence à l’énergie obtenue à partir de cette source.
Le nom d’énergie nucléaire est utilisé parce que la majeure partie de l’énergie d’un atome réside dans son noyau.
Il existe deux types de réactions nucléaires qui libèrent de l'énergie :
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Dans les réactions de fission, un très gros atome (contenant de nombreux protons et neutrons) se brise. Les atomes d'uranium sont idéaux car ils sont très gros et instables.
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Dans les réactions de fusion, l’objectif est de joindre deux très petits atomes (par exemple l’hydrogène). Ces réactions libèrent également une grande quantité d’énergie. Ils sont plus difficiles à obtenir mais offrent de nombreux avantages.
Exploitation d'une centrale nucléaire
Les centrales atomiques (ou centrales nucléaires) sont chargées d'obtenir de l'énergie atomique à partir des noyaux des atomes pour produire de l'électricité.
Toutes les centrales nucléaires possèdent un réacteur nucléaire. Le réacteur nucléaire est chargé de générer les réactions de fission des atomes.
Que sont les réactions de fission ? Ce sont des réactions qui divisent le noyau d’un atome.
Ces réactions atomiques génèrent une grande quantité d’énergie thermique. Grâce à cette grande quantité d’énergie, elle est utilisée pour générer de la vapeur – ou augmenter la pression de l’eau, selon le type de réacteur – pour entraîner une turbine.
La turbine est reliée à un alternateur qui se charge de produire de l'électricité.
Au cours du processus, l'énergie subit les transformations suivantes :
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Nous partons d’un atome contenant une grande quantité d’énergie nucléaire.
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Obtention d'énergie thermique (par fission nucléaire).
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Obtention d'énergie cinétique (en entraînant les turbines).
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Obtention d'énergie électrique (par l'intermédiaire de l'alternateur).
Il existe de nombreux types de centrales nucléaires utilisant l'énergie atomique, mais conceptuellement, elles fonctionnent toutes selon un processus similaire : une réaction nucléaire pour obtenir de la chaleur, entraîner une turbine et transformer l'énergie mécanique en électricité.
Les réacteurs nucléaires les plus courants sont :
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Réacteurs à eau sous pression (REP)
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Réacteurs à eau bouillante (REB).
À ce jour, toutes les centrales nucléaires du monde fonctionnent à fission.
Réacteurs de recherche atomique
Un réacteur de recherche est un réacteur nucléaire utilisé à des fins scientifiques. Ces réacteurs sont la clé du développement et de l'évolution de la technologie nucléaire.
Les réacteurs de recherche ont moins de puissance que les réacteurs nucléaires utilisés à d’autres fins. Un réacteur de centrale nucléaire typique a une capacité thermique de 3 000 MW (mégawatts), tandis que les réacteurs de recherche ont une capacité comprise entre 10 kilowatts et 10 mégawatts.
Par rapport aux réacteurs conventionnels, les réacteurs de recherche sont :
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Plus simple.
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Ils fonctionnent à des températures plus basses.
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Ils nécessitent moins de combustible et génèrent donc moins de combustible usé.
Le combustible utilisé dans ce type de réacteur est généralement de l'uranium plus enrichi, généralement jusqu'à 20 % d'uranium 235. Certains réacteurs utilisent 93 % d'uranium 235.
Le rapport important entre volume et puissance dans le noyau nécessite des techniques spéciales dans sa conception. Comme pour les autres réacteurs, le cœur a besoin d’être refroidi. Ils sont généralement refroidis par convection naturelle ou forcée avec de l'eau.
Un modérateur de neutrons est également utilisé pour ralentir les neutrons et contrôler les réactions atomiques en chaîne qui se produisent.
Combustible nucléaire
Pour déclencher des réactions atomiques, tous les atomes ne sont pas techniquement adaptés.
Combustible pour réacteurs à fission : uranium et plutonium
Dans le cas des réactions de fission nucléaire, de très gros atomes (contenant de nombreux protons et neutrons) sont nécessaires car ils sont très instables. Les atomes d'uranium et de plutonium remplissent ces conditions.
Les atomes d'uranium et de plutonium peuvent avoir des configurations différentes. Ces configurations dépendent du nombre de neutrons qu'ils possèdent dans le noyau. Chacune de ces configurations est un isotope différent du même atome.
L'uranium peut être obtenu naturellement. L'uranium naturel se trouve dans une composition d'isotopes d'uranium, dont certains (quelques-uns) sont très instables. Pour améliorer ses performances, l'uranium naturel est soumis à un processus d'enrichissement afin d'obtenir une proportion plus élevée de neutrons, le rendant moins stable.
Combustible pour réacteurs à fusion : deutérium et tritium.
D’un autre côté, dans la fusion nucléaire, de très petits atomes sont nécessaires pour faciliter la formation des liaisons de force qui les uniront.
L’atome idéal est le plus petit de tous : l’hydrogène, qui ne possède qu’un seul proton.
Comme l'uranium, l'hydrogène possède plusieurs isotopes. Ceux qui conviennent le mieux aux réactions de fusion atomique sont le deutérium et le tritium.
Actuellement, aucune centrale nucléaire n’utilise la fusion nucléaire pour des raisons techniques. Or, en France, un réacteur nucléaire de recherche est en construction pour y parvenir : c'est le projet ITER.
Avantages et inconvénients de l'énergie atomique
L’utilisation de l’énergie atomique comporte des avantages et des inconvénients.
avantage
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L'énergie atomique permet d'obtenir une grande quantité d'énergie avec peu de combustible.
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Cela ne dépend pas des combustibles fossiles. Cela signifie qu’il n’émet pas de gaz à effet de serre et ne contribue pas au réchauffement climatique. Cela n’a donc pas d’effet négatif sur le changement climatique.
Désavantages
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Le combustible usé reste radioactif et est très difficile à gérer.
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La radioactivité des déchets nucléaires dure des dizaines d'années.
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Il existe une possibilité d'accidents nucléaires. Même si les systèmes de sécurité des centrales nucléaires sont très avancés, il existe toujours un risque d’accident nucléaire. Les catastrophes nucléaires sont rares mais très dommageables, tout comme les accidents nucléaires de Tchernobyl et de Fukushima.