Énergie des noyaux

Figure 1. Les tours de refroidissement sont les composants les plus emblématiques d'une centrale nucléaire. Notez que pas toutes les centrales nucléaires utilisent ces tours de refroidissement et que les nuages qui s'en dégagent ne sont en fait que de la vapeur, et non des polluants. D'autres types de centrales électriques possèdent également des tours de refroidissement.

Presque toutes les formes d'énergie primaire proviennent des réactions nucléaires. Les combustibles fossiles et les biocarburants tirent leur énergie de la lumière du soleil. L'énergie géothermique provient de la désintégration radioactive ou de l'énergie thermique qui subsiste depuis la formation de la Terre (à la suite d'une explosion nucléaire cataclysmique, une supernova.). Bien évidemment, les réacteurs nucléaires obtiennent finalement leur énergie des noyaux.

Cette énergie nucléaire est de l'énergie potentielle stockée à l'intérieur du noyau d'un atome. Les protons et les neutrons à l'intérieur du noyau sont maintenus ensemble par l'interaction forte, qui équilibre la répulsion de la force de Coulomb entre les protons. La force faible équilibre la quantité respective de neutrons et de protons. L'interaction forte est à la fois plus puissante et de plus courte portée que la force de Coulomb, qui permet aux noyaux de rester ensemble jusqu'à une taille donnée (une sphère d'un rayon d'environ 8x10^-15 m). L'équilibre entre l'interaction forte et la force de Coulomb est en grande partie ce qui détermine si un nucléide (une combinaison particulière de protons et de neutrons) sera radioactif ou stable. Les noyaux instables libèrent de l'énergie - généralement, ils en dégagent beaucoup plus qu'une réaction chimique.

L'énergie nucléaire est libérée par trois processus : la fission nucléaire, la fusion nucléaire et la désintégration radioactive. La fission se produit lorsque des noyaux lourds deviennent instables et se divisent en parties plus petites (généralement, en deux parties principales et en quelques neutrons supplémentaires). La fusion est le processus par lequel deux atomes (souvent petits) sont forcés d'en former un seul. Enfin, la désintégration radioactive se produit lorsque des atomes instables émettent de l'énergie et deviennent plus stables au cours du processus. La fission peut se produire spontanément, mais lorsque l'homme obtient de l'énergie par fission, le processus se produit généralement après qu'un gros isotope a été bombardé par des neutrons thermiques. La fusion n'est pas encore une méthode viable permettant aux humains d'obtenir de l'énergie directement à partir de noyaux, mais c'est le processus qui se produit dans le Soleil. Les processus nucléaires impliquent davantage d'énergie par rapport aux réactions chimiques, ce qui entraîne une perte de masse mesurable, appelée équivalence masse-énergie. Lorsque l'un de ces trois processus se produit, les atomes résultants ont une masse inférieure à celle des atomes de départ. Cette masse est convertie en une grande quantité d'énergie, en forme de chaleur, expliquée par Albert Einstein par sa célèbre équation [math]\displaystyle{ E = mc^2 }[/math]. Il existe des processus se déroulant en laboratoire qui transforment l'énergie en masse, mais cela ne se produit pas spontanément.

L'énergie libérée par les noyaux est beaucoup plus dense (environ un million de fois plus dense) que l'énergie qui provient des réactions chimiques. C'est ce qui explique le pouvoir destructif incroyable des armes nucléaires par rapport aux armes conventionnelles. Cette densité énergétique signifie également qu'il faut peu de matière fissile pour produire de l'électricité. Avec une densité énergétique un million de fois supérieure, un millionième du matériau est nécessaire pour le faire, produisant un millionième des déchets créés par les réactions chimiques. Toutefois, ces déchets contiennent de l'énergie nucléaire résiduelle sous forme de désintégration radioactive de produits de fission, qui sont assez dangereux s'ils ne sont pas gérés correctement.

Production d'électricité

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L'énergie du noyau peut être utilisée directement pour produire de l'électricité, et c'est ce que nous appelons l'énergie nucléaire. Les liaisons nucléaires nécessitent beaucoup plus d'énergie que les molécules pour être rompues, ce qui signifie qu'il faut beaucoup d'ingénierie pour créer l'énergie nucléaire. L'énergie provenant des noyaux peut être utilisée pour chauffer un liquide ou un gaz pour faire tourner des turbines dans une centrale nucléaire, produisant de l'électricité. Actuellement, l'énergie nucléaire fournit 6 % de l'énergie primaire et 14 % de l'énergie électrique du monde (près de la moitié de l'électricité qui n'émet pas de gaz à effet de serre).

Dans les centrales électriques, l'énergie nucléaire est exploitée à partir d'isotopes de grands éléments, tels que l'uranium, le thorium et le plutonium, qui servent de « combustible » dans les réacteurs à fission nucléaire. Les isotopes d'uranium et de thorium sont présents naturellement et sont extraits des roches. L'utilisation de l'uranium dans un réacteur nucléaire peut entraîner la production de plutonium, qui peut également être brûlé dans les réacteurs nucléaires. L'une des utilisations intéressantes des réacteurs nucléaires consiste à se débarrasser des ogives nucléaires obsolètes. Les États-Unis l'ont fait avec les anciennes ogives nucléaires soviétiques et ont appelé ce projet « megatons to megawatts ».

La fusion nucléaire commerciale pour la production d'électricité n'existe pas encore, mais la fusion a été réalisée avec succès par des humains dans des laboratoires. La difficulté majeure est d'extraire de la réaction plus d'énergie qu'il en a fallu pour la produire.

Controverse

La perception par le public de la sécurité, de la fiabilité et de la propreté de l'énergie nucléaire (par opposition à ses sécurité, fiabilité et propreté réelles) a souvent entraîné des problèmes pour l'industrie nucléaire. La crainte du public quant à la façon de traitement des déchets nucléaires provoque une réticence à l'égard de l'énergie nucléaire. D'autres craintes sont liées à des catastrophes nucléaires spécifiques et à la manière dont l'énergie nucléaire est utilisée en dehors de la production d'électricité, comme pour les armes nucléaires. Il y a un fort sentiment de NIMBY (« Not In My Backyard »/« pas dans mon arrière-cour ») pour les nouvelles centrales nucléaires. Les défenseurs de l'énergie nucléaire soulignent qu'elle constitue une alternative sans carbone (et généralement sans émissions) aux combustibles fossiles, qui pourrait fournir d'importantes quantités d'énergie dans le monde entier. Les critiques sont généralement préoccupés par les risques sanitaires associés aux centrales nucléaires et rappellent les catastrophes nucléaires, telles que Tchernobyl et Fukushima pour illustrer l'insécurité des centrales nucléaires.