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Centrale nucléaire Isar, Allemagne

Piscine de combustible nucléaire usé

Turbine d'une centrale nucléaire

Histoire de l'énergie nucléaire

Le philosophe grec, Démocrite d'Abdère, fut le premier à définir l'atome.

Le philosophe grec Démocrite d'Abdère fut le premier dans l'histoire à donner une définition de l'atome : la plus petite particule qui constitue la matière. Ce fut au Vème siècle AC. Atome vient du grec et veut dire “non-divisible”. Bien plus tard, la fission nucléaire a permis de diviser les atomes avec pour objectif, obtenir de l'énergie.

Plus tard, en 1803, le chimiste britannique John Dalton affirmait, dans son livre “A New System of Chemical Philosophy”, que les éléments se formaient à partir de combinaisons déterminées d'atomes et que tous les atomes d'un même élément étaient identiques : dit autrement, que tous les atomes du fer ou de l'uranium étaient identiques.

Tableau périodique des éléments.

Depuis lors, l'effort des scientifiques s'est centré sur l'identification de tous les éléments et de les classifier. Le premier à proposer un ordre fut le chimiste anglais Newlands. Une proposition que d'autres scientifiques comme Lothar Meyer, Dimitri Mendeleïev ou Moseley se sont chargés d'étudier puis de modifier jusqu'à obtenir la Table Périodique actuelle.

Découverte de l'électron

En 1897, J. J. Thompson a annoncé la découverte d'une particule chargée négativement qu'il dénomme électron. Il a également été en mesure de déduire la relation entre la charge d'une particule (e) et la masse (m). Les électrons sont chargés négativement d'éléments qui tournent en orbite autour d'un noyau comme s'il s'agissait de planètes autour du soleil. L’ensemble du noyau et des électrons forme l'atome comme le découvrira Rutherford plus tard.

La découverte de la radioactivité

En 1896, le physicien français Antoine-Henri Becquerel a constaté que certaines substances, comme les sels de l'uranium, produisaient des radiations pénétrantes d'origine inconnue. Ce phénomène se fit connaître comme la radioactivité.

Antoine Henri Becquerel, père de l'énergie nucléaire.

Alors qu'il travaillait dans son laboratoire, Becquerel laissa par mégarde des sels d'uranium proches de plaques photographiques qui réapparurent voilées bien qu'elles étaient protégées des rayons solaires. Après avoir réalisé des recherches, il s'est rendu compte que la cause n'étaient pas les plaques mais l'uranium. Grâce à cette découverte, Becquerel est devenu le “Père de l'Énergie Nucléaire”.

À cette même époque, le couple formé par Pierre et Marie Curie découvrirent grâce à leurs recherches, l'existence d'un autre élément dont l'activité est plus élevée que celle de l'uranium : en l'honneur de leurs origines, ils l'appelèrent polonium. Ils découvrirent également un deuxième élément qu'ils dénommèrent radium.

De part leurs caractéristiques, ces trois éléments ont pris une grande importance dans le développement de l'énergie nucléaire. Actuellement, le combustible de presque toutes les centrales nucléaires est l'uranium.

Par la suite, comme résultat des recherches de Rutherford y Soddy, il a été démontré que l'uranium et d'autres éléments lourds émettent trois types de radiations : alpha, bêta et gamma. Les deux premiers étaient composés de particules chargées, confirmant ainsi que les particules alpha étaient des noyaux d'atomes de hélium, et les particules bêta des électrons. De plus, il fut confirmé que les radiations gamma étaient de nature électromagnétique.

Le modèle atomique de Rutherford

La découverte de la nature des radiations ont permis à Rutherford d'étudier la structure de la matière. Grâce à ses expérimentations, il put en déduire que l'atome était formé par une zone centrale positive où se concentre toute la masse et que les électrons tournent autour du noyau, comme s'il s’agissait du système solaire. Cela voulait dire que l'atome n'est pas massif comme il l'avait toujours été cru jusqu'alors.

La découverte de la constante de Planck et la théorie quantique

En 1900, le physicien allemand Max Planck a établi que l'énergie s'émet en petites unités individuelles connues comme quantum. Il découvrit une constante de caractère universel connue comme la constante de Planck, représentée par “h”.

La loi de Planck établit que l'énergie de chaque quantum est égale à la fréquence de la radiation électromagnétique multipliée par ce quantum universel.

Les découvertes de Planck représentèrent la naissance d'un nouveau domaine pour la physique, la mécanique quantique, et formèrent les bases pour la recherche dans des secteurs comme celui de l'énergie nucléaire.

La théorie de la relativité d'Albert Einstein

Albert Einstein est le scientifique le plus reconnu dans l'histoire du XXème siècle. Einstein proposa l'équation bien connue E=mc2. Cette équation s'est faite révolutionnaire de part les études ultérieures de physique nucléaire, bien qu'à cette époque, il n'existait aucun moyen de la démontrer par des procédés expérimentaux. Ainsi, “E” représente l'énergie et “m” la masse, toutes deux reliées grâce à la vitesse de la lumière “c”. Cette équation reliait les conversions massiques d'énergie, de telle sorte que l'on pouvait affirmer que chaque entité était des manifestations différentes d'une même chose.

Albert Einstein : masse nucléaire liée à l'énergie.

Le modèle atomique de Böhr

Le physicien danois Niels Böhr développa en 1913 une hypothèse selon laquelle les électrons étaient distribués en couches bien définies (ou niveaux quantiques) à une certaine distance du noyau. La configuration des différents éléments se formait ainsi.

Selon Böhr, les électrons tournaient comme des orbites stationnaires depuis lesquelles aucun rayon ne peut être émis. De cette façon, l'ancien concept de l'atome comme un tout indivisible, inerte et simple disparaissait et donnait lieu à l'hypothèse d'une structure complexe qui ensuite impliquerait des manifestations énergétiques compliquées.

La découverte du neutron

James Chadwick, en 1932, découvrit le neutron. Chardwick “mesura” la masse de la nouvelle particule en déduisant qu'elle était semblable à celle du proton mais avec une charge électrique neutre. Ainsi donc il fit l'observation que le noyau atomique est composé par des neutrons et des protons, avec la même quantité de protons que d'électrons.

Grâce à cette découverte, Chadwick obtint un “projectile” avec des caractéristiques idéales pour provoquer des réactions nucléaires.

La découverte de la radioactivité artificielle

Le couple formé par Frédéric Joliot et Irène Curie fit la découverte de la radioactivité artificielle.

Les conclusions obtenues par le couple Joliot-Curie sont basées sur l'idée suivante : la radioactivité, jusqu'alors de caractère naturel, pouvait être produite par l'homme en formant des éléments radioactifs au moyen d'un “bombardement” de particules Alpha de quelques éléments chimiques.

La découverte de la fission nucléaire

En fin 1938, aux portes de la Deuxième Guerre Mondiale, une équipe de chercheurs scientifiques allemands dans le Kaiser Wilhem Institut de Berlin, formée par Otto Hahn, Fritz Strassmann, Lisa Meitner et Otto Frisch, interpréta le phénomène de la fission nucléaire grâce à l'identification de l'élément baryum, conséquence de la scission du noyau de l’uranium.

Fission nucléaire qui émet de l'énergie.

Les premières études sur la fission nucléaire furent dirigées par Otto Hahn et Lise Meitner, en se basant sur les résultats obtenus par le couple Joliot-Curie, qui au moyen d'analyses très appliquées, trouvèrent un élément de nombre atomique intermédiaire dans un échantillon d'uranium bombardé avec des neutrons.

Lise Meitner et Otto Frisch en déduirent que par le bombardement de neutrons sur l'uranium, celui-ci capturait un neutron et se divisait en deux fragments, en émettant une grande quantité d’énergie. Il s'agit de la découverte de la fission nucléaire.

La bombe atomique

La majorité des inventions de l'histoire a une origine militaire. Le cas de l'énergie nucléaire n'est pas une exception.

Le Projet Manhattan

En 1939, au début de la Deuxième Guerre Mondiale, Albert Einstein recommanda au Président des États-Unis, F. D. Roosevelt, de développer la bombe atomique. Einstein expliquait que grâce aux travaux de recherche menés par Henri Fermi et Léo Szilard, aux États-Unis, et par Frédéric Joliot et son épouse Irène Joliot-Curie en France, il était presque certain que très prochainement il serait possible de provoquer une réaction nucléaire en chaîne qui permettrait de libérer de grandes quantités d'énergie. Ce processus permettrait également de construire un nouveau type de bombes.

Einstein faisait aussi remarquer le manque de réserves d'uranium aux États-Unis et que les mines de ce minéral se trouvaient en Tchécoslovaquie et dans le Congo Belge. Il proposa la collaboration entre les scientifiques et l'industrie pour développer le plus tôt possible la dite bombe atomique.

De plus, il informa que l'Allemagne avait interrompu la vente d'uranium des mines tchèques desquelles le Reich s'était appropriées. Ceci pouvait indiquer que les scientifiques de l'Institut Kaiser Wilhelm pourraient aussi être en train de faire des recherches sur la fission nucléaire.

La crainte d'Albert Einstein à la guerre nucléaire se devait à sa profonde connaissance des avances de la recherche dans ce domaine. Il dut émigrer aux États-Unis en 1933, depuis l'Allemagne, au début de la persécution des juifs.

Extrait de la lettre d'Albert Einstein à Roosevelt :

“Des travaux récents de H. Fermi et de L. S. Szilard.... me laissent supposer que l'élément chimique uranium... peut se transformer en une nouvelle source énergétique très importante... Pendant ces derniers quatre mois, la possibilité de mener à bien une réaction nucléaire en chaîne par le moyen d'une grande quantité d'uranium a augmenté ; cette réaction quotidienne produirait de grandes quantités d'énergie et de nouveaux éléments similaires au radium... Ce nouveau phénomène induirait également à la fabrication de bombes.

Étant donné cette situation, il est conseillé de maintenir un contact minimum entre le gouvernement et le groupe de physiciens qui travaille en Amérique sur les réactions en chaîne.

Une possible voie pour y parvenir serait que vous transmettiez cette responsabilité à une personne de toute confiance.

Leurs tâches pourraient être dans ce sens les suivantes : …, assurer l'approvisionnement d'uranium des États-Unis..., accélérer les procédés expérimentaux..., obtenir des fonds...”

Roosevelt perçut cette lettre d'Einstein sans trop de confiance, mais il créa tout de même une commission chargée des questions indiquées par le scientifique dans celle-ci.

Entre 1940 et 1941, des mesures dans les systèmes d'uranium-grahite commencèrent à être mises en place. Glen Seaborg découvrit, vers la fin 1940, un élément artificiel, le plutonium-239, qui pourrait être utilisé plus tard pour la fabrication de la bombe atomique.

La fabrication de la bombe atomique fut confiée à l'Armée, pour un projet de guerre qui coûterait aux alentours de 2,5 milliards de dollars. Le programme tenait en compte deux possibilités : la séparation de l'uranium-235 de l'uranium-238, et la production du plutonium-239 dans les réacteurs de graphite.

Le 2 décembre 1942, un groupe de physiciens nucléaires européens émigrèrent aux États-Unis et dirigés par le physicien italien Henri Fermi, ils mirent en marche la première réaction nucléaire en chaîne produite par l'homme dans l'histoire de l'énergie nucléaire avec l'intention d'appliquer pour la première fois de l'énergie nucléaire. Le réacteur nucléaire employé, connu sous le nom de Chicago Pile (CP-1), avait une structure simple et fut installé sous la tribune du stade de football américain de l'Université de Chicago. Ils utilisèrent le combustible d'uranium, comme celui employé par Fermi dans ses recherches expérimentales à Rome, et modérateur de graphite.

Les préparatifs pour cette expérimentation furent menés à bien sous un grand secret. L'objectif de l'investigation était d'obtenir une réaction en chaîne -en principe contrôlée- qui permettrait l'étude de ses propriétés en vues du développement possible d'une bombe atomique.

La réaction en chaîne de la fission commença une fois extraites en toute prudence les barres de contrôle. C'est à ce moment que le premier réacteur nucléaire de l'énergie nucléaire commença à fonctionner.

En 1943 se construirent trois villes pleines d'installation pour la recherche : Oak Ridgne (Tennessee) pour séparer l'uranium-235 de l'uranium-238, Hanford pour l'installation des réacteurs nucléaires et Les Alamos pour la fabrication de la bombe atomique. Robert Oppenheimer fut nommé Directeur du Laboratoire de Les Alamos qui put réunir près de mille scientifiques qui restèrent sur place jusqu'à six mois après avoir achevé la guerre.

Au matin du 16 juillet 1945, le premier essai de bombe atomique de plutonium fut réalisé dans le désert d'Alamogordo (Nouveau Mexique) et fut un succès total.

La bombe atomique d'uranium et celle de plutonium furent prêtent en même temps. La première, appelée Little Boy étaient composée de deux masses d'uranium-235 qui se projetaient l'une sur l'autre grâce aux explosifs conventionnels.

La seconde, Fat Man, était une sphère de plutonium vide qui s'est comprimée sur elle-même dans son centre par l'action d'explosifs conventionnels.

En août 1495, les deux bombes qui allaient changer le sens de l'histoire furent lancées. Le 6 août, Little Boy fut précipité sur Hiroshima depuis l'avion Enola Gay et, le 9 août, Fat Man fut jeté sur Nagasaki.

Champignon atomique : Hiroshima après la bombe Little Boy.
Le champignon atomique formé par la bombe Fat Man : résultat de l'explosion nucléaire sur Nagasaki.

Les villes japonaises d'Hiroshima et de Nagasaki sont ainsi devenues les premiers objectifs, et jusqu'à présent les seuls, d'une attaque par bombes atomiques de l'histoire.

Les conditions pour la fabrication d'une bombe atomique, sur laquelle travaillèrent -sans succès- pendant la Deuxième Guerre Mondiale quelques physiciens soviétiques comme Igor Vasilievich Kurchatov, furent bien plus strictes que de nécessaire pour parvenir à faire fonctionner un réacteur nucléaire.

L'énergie libérée pendant une détonation de ce type se divise plus ou moins en 35 % de radiation thermique, 50 % de pression et 15 % de radiation nucléaire. Ce processus permet d’obtenir des températures de jusqu'à 14 millions de grades centigrades. La bombe d'Hiroshima libéra 23,2 millions de Kwh.

L'énergie nucléaire après la Seconde Guerre Mondiale

Première tentative du Traité de Non Prolifération Nucléaire

Après la fin de la Seconde Guerre Mondiale, l'Amérique du Nord faisait étalage de sa suprématie dans le domaine de la guerre en raison de sa considérable puissance atomique. La complexité qui existait autour des questions de guerre et civiles sur l'énergie nucléaire exigeait l'établissement d'une articulation légale pour les applications civiles dans le pays et une régulation internationale à tous les niveaux.

Bien qu'il y ait eu de nombreuses réunions de caractère international, les États-Unis en voulaient pas perdre leur importance et ainsi le fit savoir le Président Truman en déclarant : “Nous devons devenir les gardiens de cette nouvelle force afin d'en empêcher un usage néfaste, et de la contrôler pour le bien de l'Humanité [...]”.

En 1946, le plan nord-américain fut présenté aux Nations Unies : il consistait en la libération graduelle des secrets, fabriques et bombes nucléaires, en cédant le tout à l'organisme en échange de contrôles et inspections internationaux.

Ce contrôle ne fut pas bien accepté par l'ancienne Union Soviétique dont le représentant, Andrei Gromiko, présenta une contre-proposition dans laquelle il était interdit de construire des armes atomiques et il était exigé d'éliminer toutes celles existantes à court terme. Après plusieurs années de négociations, cette première tentative de non-prolifération nucléaire fut un échec total.

Le Plan Marshall

En juin 1947 naissait le Plan Marshall en tant qu’initiative d'aide économique dans la politique des États-Unis de contention du contrôle soviétique, dans lequel se voyaient soumis les Pays d'Europe Centrale et Orientale, derrière le dénommé “Rideau de Fer”. Ce plan devint le détonateur historique de la Guerre Froide pendant laquelle se succédèrent une série d'affrontements entre ces deux super-puissances.

Nautilus : le premier sous-marin nucléaire.

 

Des années après, les États-Unis ont construit des réacteurs de plutonium et, en 1953, le prototype sur terre du réacteur Nautilus fut mis en marche : le premier sous-marin nucléaire.

 

La première bombe atomique soviétique

Ces évènements accentuèrent la situation tendue provoquée par l'explosion de la Bombe H soviétique. L'idée de créer cette bombe était de former un grand récipient cylindrique avec la bombe atomique à une extrémité et le combustible d'hydrogène à l'autre. L'explosion de la bombe atomique aurait apporté une quantité de radiation avec une pression suffisante pour comprimer et incendier l'hydrogène.

Après les schémas préliminaires de 1951, la bombe fut prête en début 1952, de façon qu'en novembre de cette même année, elle fut essayée en pulvérisant l'Île d'Elugelab, dans l'Océan Pacifique. Sa puissance donna un résultat 700 fois supérieur à celui de la bombe atomique d'Hiroshima.

Le 8 décembre 1953, les États-Unis se dirigèrent aux Nations Unies pour dénoncer l'équilibre terrorisé dans lequel vivait la population mondiale, et annoncèrent que si l'Amérique du Nord était attaquée avec des armes nucléaires, la réponse serait la destruction de l'agresseur de façon immédiate.

Profit de l'énergie nucléaire pour des fins pacifiques

Afin d'adoucir cette situation, une série de conférences internationales à caractère technique furent organisées sur l'usage pacifique de l'énergie nucléaire. À cette occasion, les conversations entre les pays développés avec des puissances atomiques importantes furent un succès total.

Profitant de la nouvelle situation, le Président nord-américain Eisenhower exposa alors aux Nations Unies son programme de coopération internationale “Atoms for Peace”. À partir de ce programme, une série de connaissances scientifiques et technologiques furent mises à disposition, ce qui permettrait plus tard l'exploitation commerciale de l'énergie nucléaire.

Le discours, qui en décembre 2013 eut 60 ans, et qui fut prononcé pendant la Guerre Froide, proposait un accord entre les grandes puissances pour arrêter et réduire la fabrication d'armement nucléaire et mettre à la connaissance de toute l'humanité les connaissances et moyens matériels, spécialement les combustibles nucléaires, pour leur usage pour des fins pacifiques.

De plus, la création d'organismes internationaux fut favorisée, comme l'Organisme International de l'Énergie Atomique (OIEA), en 1957, dont le siège est à Vienne, et l'Agence d'Énergie Nucléaire (AEN) intégrée dan l'Organisation pour la Coopération et le Développement Économique (OCDE), dont le siège est à Paris.

Cependant, certains pays comme le Royaume Uni et l'ancienne Union Soviétique avaient déjà commencé des recherches destinées au déploiement commercial de l'énergie nucléaire.

Centrale nucléaire de Calder Hall.

En 1956, les britanniques inaugurèrent la première centrale nucléaire de l'histoire à Calder Hall, origine d'une série de réacteurs connus comme graphite-gaz.

En 1963, General Electric fut l'Entreprise chargée de construire une centrale d'eau en ébullition strictement commerciale (Oyster Creek I), ce qui provoqua le début d'une avalanche de commandes de construction de centrales nucléaires, fabriques d'éléments de combustible, et la recherche de méthodes d'approvisionnement et petites usines de ré-élaboration.

Traité définitif de Non Prolifération Nucléaire

En 1967, l'OIEA organisa un groupe d'analyse de tous les problèmes techniques qui puissent comprendre un Traité de Non Prolifération Nucléaire. Celui-ci entra en vigueur en 1972.

Les pays qui ont signé accédèrent à ne pas fournir d'armes nucléaires ou à collaborer à leur fabrication et ils s'engagèrent à établir les garanties nécessaires pour leur accomplissement.

Les systèmes de protection, à niveau mondial, furent les suivants :

  • Traité de l’Antarctique : signé à Washington par 37 pays, dans lequel il était interdit d'utiliser ce territoire pour réaliser des explosions nucléaires et/ou élimination de résidus radioactifs

  • Traité de l'Interdiction d'Essais d'Armes Nucléaires dans l'atmosphère et dans l'espace extérieur et dans des sous-marins : signé à Moscou, en 1963, agissant en tant que dépositaires les États-Unis, l'ancienne URSS et le Royaume Uni.

  • Traité des “Principes qui gouvernent les activités des États-Unis dans l'exploration de l'espace extérieur”, qui inclut la Lune et autres éléments célestes, qui fut signé en octobre 1967, agissant en tant que dépositaires les États-Unis, l'ancienne URSS et le Royaume Uni, et se compromettant à ne pas mettre en orbite terrestre ou dans l'espace extérieur des objets comme des armes nucléaires.

  • Traité d'Interdiction d'Armes Nucléaires enAmérique Latine, signé au Mexique en 1967.
  • Traité de Non Prolifération Nucléaire en vigueur depuis 1972 et prolongé en 1995 avec le Royaume Uni, les États-Unis et l'ancienne URSS en tant que dépositaires.

Le développement de l'énergie nucléaire fut promu à tout moment en raison de l'intérêt provoqué au sujet de la production d'électricité par l'emploi de cette source d'énergie. Tout au long des années 60 et 70, plusieurs programmes nucléaires s’initièrent dans différents pays.

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Références

Dernier examen: 24 septembre 2014