Figure 1. L'uranium, numéro atomique de 92 et un poids atomique de 238,02891.[1]

L'uranium est le 92e élément du tableau périodique, et l'élément naturel le plus lourd sur Terre.[2] Il est connu pour être une source abondante d'énergie concentrée,[3] avec la plus grande densité énergétique de tous les combustibles du monde utilisés pour la génération d'électricité.

L'uranium se trouve relativement couramment sur la Terre, avec une abondance de 2,8 parties par million dans la croute terrestre.[4] Il est donc plus commun que l'or, aussi commun que l'étain et moins commun que le cuivre. 99,3 % de l'uranium trouvé sur Terre est de l'uranium-238, qui est « fertile », tandis que le reste (0,7 %) est de l'uranium-235, un combustible « fissile ». Par conséquent, seule une très petite quantité de l'uranium présent à l'état naturel peut être utilisée dans un processus de fission nucléaire, à moins qu'il ne subisse un processus d'enrichissement de l'uranium, qui augmente la concentration d'uranium-235, ou que l'uranium-238 ne soit transformé de sa forme fertile en un isotope fissile du plutonium. Pour en savoir plus sur la reproduction, cliquez ici.

L'uranium comme combustible

Pour plus d'informations, visitez : exploitation de l'uranium, enrichissement de l'uranium, réaction nucléaire en chaîne et cycle du combustible nucléaire.

L'uranium constitue un excellent combustible nucléaire, et est utilisé comme combustible primaire dans les réacteurs nucléaires du monde entier. Dans cette section, le cycle du combustible de l'uranium sera brièvement exploré. Pour plus d'informations, consultez les pages ci-dessus.

Acquisition et traitement

Figure 2. L'uraninite, également connue sous le nom de pitchblende, est un minerai couramment exploité.[5]
Figure 3. Faisceau de barres de combustible d'uranium CANDU avec Jason Donev pour échelle.[6] Ce faisceau, s'il est plein et dans un réacteur CANDU, fournirait toute l'électricité nécessaire à une famille de 4 personnes au Canada pendant 100 ans.

L'uranium peut être récolté sur la Terre par l'exploitation de l'uranium, cependant l'aspect pratique de sa récolte dépend de nombreux facteurs. La technologie disponible et le coût total doivent être pris en compte lors de l'élaboration d'un projet d'exploitation minière, et la teneur du minerai doit également rendre le projet rentable.[4] Une fois le minerai extrait (figure 2), il subit un traitement au cours duquel l'uranium est transformé en une forme souhaitable. Certains réacteurs nucléaires, comme le CANDU, peuvent utiliser l'uranium dans sa composition naturelle. Cependant, la plupart des réacteurs exigent que l'uranium soit enrichi, ce qui signifie que la concentration d'uranium-235 passe de 0,7 % à environ 5 %.[3]

L'enrichissement de l'uranium permet aux centrales d'utiliser de l'eau légère (eau ordinaire) comme liquide de refroidissement et modérateur, car l'enrichissement augmente le nombre de réactions nucléaires dans le réacteur. Après l'enrichissement, l'uranium est transformé en petites pastilles de combustible et chargé dans un crayon de combustible. Celles-ci sont assemblées en grappes de combustible, comme le montre la figure 3. Ces grappes de combustible sont placées directement dans le cœur d'un réacteur, prêtes pour la fission.

Utilisation et production d'électricité

Une fois l'uranium assemblé, il peut être utilisé dans un réacteur pour produire de la chaleur. Une idée fausse très répandue est que les centrales nucléaires convertissent par magie leur combustible directement en électricité. Cependant, une fois la chaleur produite, leur fonctionnement est presque identique à celui d'une centrale électrique au charbon ordinaire. Selon le type de réacteur, la chaleur est transférée à de l'eau en circulation qui bout en vapeur, soit directement (comme le réacteur RBMK), soit indirectement (comme le réacteur à eau pressurisée). Cette vapeur pressurisée peut ensuite être utilisée pour faire tourner une grande turbine et un générateur, fournissant de l'électricité pour les besoins du monde.

Comme mentionné, l'isotope uranium-235 est fissile. Cela signifie qu'il subit une fission nucléaire lors de l'absorption d'un neutron, ce qui dégage beaucoup d'énergie sous forme de chaleur. Cependant, l'uranium-235 n'est pas le seul isotope qui peut fournir de la chaleur dans un réacteur. Par le processus de transmutation, l'uranium-238 peut être converti en plutonium-239 par une série de désintégrations bêta. Le plutonium-239 est fissile, tout comme l'uranium-235, et sa fission fournit de l'énergie supplémentaire. Par le processus de transmutation, l'uranium-238 peut être converti en plutonium-239 par une série de désintégrations bêta. Le plutonium 239 est fissile, tout comme l'uranium 235, et sa fission fournit de l'énergie supplémentaire. Pour un réacteur à eau légère comme un réacteur à eau bouillante ou un réacteur à eau pressurisée, cela représente environ 1/3 de la puissance et environ 1/2 de l'énergie d'un réacteur CANDU.[3]

Figure 4. Un réacteur nucléaire à eau bouillante, qui fonctionne grâce à un combustible à base d'uranium.[7]

L'uranium dans d'autres utilisations

L'uranium a de nombreux autres usages en dehors de son utilisation principale dans la production d'électricité. Il a apporté au monde de nombreuses innovations positives dans les secteurs médical et industriel, et a également fait l'objet d'un examen négatif pour son utilisation et sa production d'armes.

Radioisotopes

Les radioisotopes dérivés de la désintégration des isotopes de l'uranium sont largement utilisés dans le monde.

En médecine, ils sont utilisés pour le diagnostic et la recherche. Dans le monde occidental, environ une personne sur deux est susceptible de bénéficier des avantages de la médecine nucléaire au cours de sa vie.[3]

Les radioisotopes sont également utilisés dans l'industrie alimentaire, car ils permettent de conserver les aliments, de tuer les parasites et de contrôler le mûrissement des fruits et des légumes.[3]

Industriellement, ils sont utilisés pour la sécurité car ils peuvent détecter des fuites, fournir des analyses de minéraux et de combustibles, et l'uranium peut servir de bouclier contre les radiations.[8] L'élément radioactif Américium est également utilisé dans les détecteurs de fumée.

Armes

Figure 5. Le nuage produit par l'explosion au-dessus de Nagasaki.[9]

L'énergie de l'uranium, ainsi que son sous-produit, le plutonium, ont toujours eu des conséquences désastreuses. Les premières bombes nucléaires ont été développées pendant la Seconde Guerre mondiale, dans le secret, par les États-Unis, dans le cadre de ce que l'on a appelé le projet Manhattan.[10]

La différence principale entre les armes nucléaires et le combustible utilisé dans les réacteurs est la qualité du combustible. Nous avons déjà mentionné que l'enrichissement de l'uranium-235 doit être d'environ 5% pour de nombreux réacteurs, ce qui est en soi une tâche compliquée. Pour les bombes, cet enrichissement doit être d'environ 90%.[11] Ce fait a contribué à contrôler la prolifération des armes nucléaires, car il est difficile pour un groupe de personnes ordinaires de développer une qualité d'uranium aussi élevée.

La première bombe nucléaire à avoir explosé au combat, appelée « Little Boy », a été mise au point dans le cadre du projet Manhattan et a explosé au-dessus d'Hiroshima. Elle a utilisé deux morceaux d'uranium-235 sous-critique qui, lors de la détonation, se sont écrasés l'un contre l'autre, produisant une réaction nucléaire en chaîne incontrôlable et dégageant une énergie égale à 13 000 tonnes courtes de TNT.[10] La deuxième et dernière bombe jamais déclenchée au combat a été appelée « Fat Man », qui a utilisé du plutonium hautement enrichi, dégageant une énergie égale à 20 000 tonnes de TNT.[10]

L'utilisation de ces bombes est extrêmement controversée depuis leur détonation, car elles ont tué des centaines de milliers de personnes. Cette utilisation destructrice de l'énergie nucléaire a probablement influencé la façon dont les gens ont perçu les quelques rares catastrophes nucléaires de Tchernobyl, Fukushima et Three Mile Island. Dans l'ensemble, cela a laissé une vue négative de l'énergie nucléaire dans une grande partie de la population générale.

Vidéo

La vidéo ci-dessous est issue du Energy Education de l'Université de Calgary. Ils ont créé une série complète de courtes vidéos sur la [nucléaire].

Références

  1. Made internally by a member of the Energy Education team. Information from the Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights (CIAAW), Available: http://www.ciaaw.org/atomic-weights.htm
  2. UC Davis Chem Wiki. (June 17, 2015). Nuclear Reactions [Online]. Available: http://chemwiki.ucdavis.edu/Physical_Chemistry/Nuclear_Chemistry/Nuclear_Reactions
  3. 3,0 3,1 3,2 3,3 et 3,4 World Nuclear Association. (June 22 2015). What is Uranium? [Online], Available: http://www.world-nuclear.org/info/Nuclear-Fuel-Cycle/Introduction/What-is-Uranium--How-Does-it-Work-/
  4. 4,0 et 4,1 N. Tsoulfanidis, "Nuclear Fuel Resources, Mining, and Milling" in The Nuclear Fuel Cycle, 1st ed., La Grange Park, Illinois: American Nuclear Society, 2013, ch.2, sec.1, pp. 28-56
  5. Wikimedia Commons [Online], Available: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0b/Pichblende.jpg
  6. This image is from the private collection of a member of the energy education team.
  7. NRC. (June 23 2015). The Boiling Water Reactor [Online], Available: http://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/students/animated-bwr.html
  8. Jefferson Lab. (June 23 2015). Uranium [Online], Available: http://education.jlab.org/itselemental/ele092.html
  9. Wikimedia Commons [Online], Available: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nagasakibomb.jpg
  10. 10,0 10,1 et 10,2 Nuclear Files. (June 23 2015). Manhattan Project [Online], Available: http://www.nuclearfiles.org/menu/key-issues/nuclear-weapons/history/pre-cold-war/manhattan-project/
  11. Hyperphysics. (June 23 2015). Uranium Bomb [Online], Available: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nucene/bomb.html#c3