Les philosophes de la Grèce antique pensaient que la matière était composée de minuscules particules indivisibles. C’est seulement au XIXe siècle que celles‑ci, appelées atomes (d’atomos = mot du grec ancien signifiant indivisible), sont devenues une hypothèse scientifique, toutefois contestée à l’époque. Des scientifiques ont réalisé pour la première fois en 1938 qu’il était parfaitement possible de désintégrer bon nombre d’atomes. Et ils ont découvert encore autre chose, à savoir que la désintégration (baptisée plus tard fission, voir ci-dessous) d’atomes lourds libérait énormément d’énergie. Avec l’atome d’uranium, le processus de désintégration peut être contrôlé de façon telle que les atomes d’uranium se désintégrant provoquent la désintégration d’autres atomes d’uranium, qui font de même à leur tour dans une réaction en chaîne. Ce phénomène naturel est le principe de physique sur lequel repose la production de chaleur et donc d’électricité dans les centrales nucléaires.

La découverte de l'uranium

C’est le chimiste allemand Martin Heinrich Klapproth qui a découvert l’uranium en 1789. Il a donné à ce nouvel élément le nom de la planète Uranus, découverte peu auparavant. Dès le XIXe siècle, l’uranium a été extrait dans des mines et utilisé pour teinter des objets en verre et de la vaisselle. En 1896, le physicien français Henri Becquerel a ensuite découvert que l’uranium était radioactif – comme le sont beaucoup d’autres substances – et que sa désintégration naturelle émettait des rayonnements. L’unité d’activité d’une substance radioactive a donc été baptisée becquerel.
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L’uranium a encore été utilisé jusqu’au XXe siècle pour l’émaillage de la vaisselle et la coloration du verre. La teinte verte caractéristique qu’il confère porte le nom poétique de «vert Anna».

En 1938, les chimistes allemands Otto Hahn et Fritz Strassmann ont découvert, avec l’aide de la physicienne austro‑allemande Lise Meitner et de son neveu Otto Frisch, qu’il était possible de désintégrer de façon ciblée l’uranium. Celui‑ci peut être divisé en deux ou plusieurs fragments sans une trop grande dépense d’énergie, ce qui libère en revanche une quantité d’énergie considérable. Meitner et Frisch ont baptisé ce nouveau phénomène «fission nucléaire».

Les découvreurs de la fission nucléaire: Lise Meitner et Otto Hahn, dans leur laboratoire de l’Institut de chimie Kaiser–Wilhelm, à Berlin, en 1913 (photo: Archives sur l’histoire de la société Max–Planck).

Un métal lourd à l'éclat argenté

A l’état pur, l’uranium est un métal lourd, mou et à l’éclat argenté. C’est le plus lourd des éléments naturels, présent en abondance sur Terre. Avec 18,97 grammes par millilitre, il est environ 19 fois plus lourd et plus dense que l’eau à zéro degré, et presque deux fois plus lourd que le plomb (11,3 g/ml). Il occupe la 92e place dans le tableau périodique des éléments. Son noyau atomique contient donc 92 particules chargées positivement (protons). Le noyau est entouré par une enveloppe de 92 électrons chargés négativement.

Comme d’autres métaux lourds – par exemple le plomb – l’uranium est toxique s’il est absorbé par l’organisme en plus ou moins grandes quantités. Mais là aussi, c’est une question de dose. Les faibles quantités sont sans risque pour la santé humaine et pour l’environnement. Depuis toujours, en consommant nourriture et eau potable, hommes et animaux absorbent des substances radioactives telles que l’uranium ou le potassium 40. Nous sommes donc tous légèrement radioactifs.

Quantités sans risque: même l'eau potable contient fréquemment des traces d'uranium naturel, notamment dans les sources alpines, et elle est très bien tolérée.

Uranium facilement et difficilement fissible

Le noyau atomique de l’uranium contient, outre les 92 protons, un nombre variable de particules électriquement neutres, les neutrons. Différents types d’uranium, appelés isotopes, se forment en fonction du nombre de neutrons dans le noyau. Certains sont plutôt stables, d’autres plus facilement fissibles et se prêtent donc mieux à la fission et à la réaction en chaîne contrôlée dans un réacteur nucléaire.

 Voici la composition des noyaux atomiques des principaux isotopes de l’uranium présents dans la nature, avec leur nombre variable de neutrons:

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

 Environ 99,3% de l’uranium naturel est composé d’uranium 238, difficilement fissible. L’uranium 235 ne représente que 0,7% environ de l’uranium naturel, mais il est facilement fissible et donc utilisé – en plus forte concentration ou avec un taux d’enrichissement supérieur – pour l’exploitation des centrales nucléaires actuelles. Il y a seulement quelques traces d’uranium 234 dans la nature.

 L’uranium 238 peut se transformer par capture de neutrons en uranium 239, qui se mue rapidement en neptunium 239, lequel se transforme lui-même ensuite en plutonium 239. Le combustible usagé des centrales nucléaires contient donc une faible proportion de plutonium. Le plutonium 239 est également facilement fissible. Cependant, des réacteurs spéciaux, appelés surrégénérateurs, sont nécessaires pour produire de grandes quantités d’énergie à partir de l’uranium 238.

Les centrales nucléaires naturelles

Il y a quelque deux milliards d’années, la composition de l’uranium sur la Terre était encore différente. La proportion d’uranium 235, facilement fissible, était plus forte que de nos jours. Cela permettait par endroits, dans du minerai à forte teneur en uranium, la formation de réactions en chaînes qui s’auto‑entretenaient. C’est ainsi que sont apparus, dans la région d’Oklo, au Gabon (Afrique centrale), plus d’une douzaine de réacteurs nucléaires naturels qui ont libéré de l’énergie pendant des millénaires. Ces réactions naturelles fonctionnaient selon le même principe que les réacteurs modernes.

Restes d’un réacteur nucléaire naturel à Oklo, au Gabon (Foto US DOE)

Le minerai d’uranium naturel d’Oklo est beaucoup plus fortement radioactif que l’uranium pur. Il contient en effet des produits provenant de la désintégration et de la fission de l’uranium (p. ex. du plutonium, du radium, du radon, du strontium, du zirconium, du baryum ou du césium). Il est intéressant de constater que ces substances radioactives à la durée de vie particulièrement longue (que l’on pourrait presque qualifier de déchets des réacteurs naturels), apparues il y a plusieurs millions d’années sous la forme de résidus des réacteurs naturels d’Oklo, sont restées solidement emprisonnées et n’ont jamais pénétré dans la biosphère. Et ce bien que ces déchets n’aient été ni enfermés dans des conteneurs, ni confinés dans de coûteuses installations de stockage en couches géologiques profondes. La géologie naturelle offrait une protection suffisante pour l’environnement.

L’intérieur de la Terre est également une sorte d’immense centrale nucléaire. D’innombrables désintégrations radioactives libèrent de l’énergie et agissent quasiment comme un chauffage par le sol pour la planète. La plus grande partie de la chaleur terrestre provient de la désintégration radioactive. La géothermie est donc aussi une forme d’énergie nucléaire.
Vous trouverez des informations sur le thème de la radioactivité et des demi‑vies ici.

Réaction en chaîne contrôlée

Le réacteur d’une centrale nucléaire est construit de façon telle que la fission nucléaire ne puisse s’y dérouler que dans des conditions précises:

Un noyau atomique d’uranium 235 capture un neutron. La présence de ce neutron supplémentaire provoque l’instabilité du noyau qui se désintègre. Deux, parfois aussi trois petits noyaux atomiques - appelés produits de fission - se forment alors. En même temps, il y a libération d’énergie et de deux à trois neutrons. De leur côté, ceux-ci peuvent être capturés par d’autres atomes d’uranium 235, qui se désintègrent à leur tour par la suite. Cependant, cela suppose que les neutrons éjectés à grande vitesse du noyau de l’uranium soient puissamment freinés auparavant. En effet, dans la pratique, seuls des neutrons lents, dits modérés, peuvent déclencher une fission.

 

Dans une centrale nucléaire, cette réaction en chaîne est contrôlée: lorsque le réacteur fonctionne à puissance constante, c’est un neutron exactement qui déclenche après chaque fission une nouvelle fission. Les neutrons excédentaires sont capturés par un autre atome ou s’échappent du combustible nucléaire.

Dans les réacteurs à eau légère utilisés en Suisse, l’eau freine les neutrons dans le réacteur et permet ainsi de maintenir la réaction en chaîne. L’eau sert donc à la fois de modérateur et d’agent de refroidissement. Si l’eau manque ou devient trop chaude, ce qui provoque la formation d’un grand nombre de bulles de vapeur, les neutrons restent trop rapides et ne peuvent déclencher aucune autre fission nucléaire. La réaction en chaîne est interrompue, la fourniture d’énergie par le réacteur diminue. C’est là une caractéristique de sécurité très importante des réacteurs à eau légère.

Le réacteur est entièrement arrêté par l’immersion des barres de commande, qui absorbent des neutrons libres. Toutefois, la chaleur résiduelle – appelée aussi chaleur de désintégration ou chaleur de décroissance – qui continue à être générée par la désintégration spontanée des produits de fission, doit encore être dissipée pendant de longues années. Cela veut dire qu’il est nécessaire que le refroidissement du combustible nucléaire soit garanti en permanence afin d’éviter que le noyau du réacteur ne subisse des dommages après l’arrêt.


Communication presse

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9.2.2018 08:52

Das Kernkraftwerk Gösgen (KKG) produzierte 2017 netto 8,15 Milliarden Kilowattstunden (2016:

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