Fiche explicative de la leçon : Énergie nucléaire Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à expliquer comment l’énergie est produite par fusion et fission nucléaires dans le contexte de centrales nucléaires.

L’énergie nucléaire est l’énergie libérée lorsque des noyaux atomiques se séparent ou sont combinés. Nous pouvons capter l’énergie du noyau pour générer un courant électrique dans les centrales nucléaires. L’énergie nucléaire a des avantages par rapport à l’énergie dérivée des combustibles fossiles, c’est donc une méthode de production d’électricité attrayante.

Étudions les deux processus par lesquels l’énergie nucléaire est libérée des noyaux.

Les protons et les neutrons sont liés ensemble dans le noyau d’un atome et sont empêchés de s’éloigner par une force d’attraction très forte appelée la force nucléaire ou force nucléaire forte. L’énergie nécessaire pour vaincre la force nucléaire afin de séparer les nucléons (protons et neutrons) dans le noyau d’un atome est appelée énergie de liaison du noyau.

Lorsque les protons et les neutrons sont séparés, ou lorsque des particules subatomiques sont ajoutées aux noyaux, il y a des changements dans l’énergie de liaison. Une très grande quantité d’énergie est libérée sous forme d’énergie nucléaire.

L’énergie nucléaire peut être produite par deux processus : la fission et la fusion. Étudions ces deux processus.

Les réactions de fission sont utilisées dans les centrales nucléaires pour produire de l’électricité. L’image ci-dessous montre une centrale nucléaire.

La fission se produit lorsqu’un noyau atomique lourd est séparé en deux ou plusieurs noyaux atomiques plus légers et plus petits.

La figure ci-dessous montre une réaction de fission qui a lieu dans les centrales nucléaires. L’isotope 235 de l’uranium est l’un des combustibles de l’énergie nucléaire. Il est conditionné dans des barres appelées barres de combustible. Dans les barres de combustible, les atomes d’uranium 235 sont bombardés avec des neutrons à grande vitesse. Lorsque la collision entre un neutron et un atome d’uranium a suffisamment d’énergie pour vaincre les forces d’attraction dans le noyau qui maintiennent les nucléons ensemble, le noyau d’uranium est séparé en noyaux plus petits et plus légers : un atome de baryum et un atome de krypton. Trois neutrons sont également produits.

L’uranium 235 est connu comme matière fissile car il peut subir des réactions de fission qui libèrent de très grandes quantités d’énergie.

On peut écrire la réaction nucléaire avec l’équation

À l’intérieur des centrales nucléaires se produit une réaction de fission répétée en continu, appelée réaction en chaîne.

Une réaction en chaîne est une réaction qui se poursuit toujours de la même manière, à chaque fois. La même étape ou les mêmes étapes dans le mécanisme ou le procédé se répètent indéfiniment jusqu’à épuisement des réactifs ou jusqu’à ce que quelque chose intervienne pour arrêter la réaction.

Utilisons maintenant la même réaction nucléaire de fission que ci-dessus pour étudier la façon dont se déroulent les réactions en chaîne. Le schéma ci-dessous montre comment les trois neutrons produits par le bombardement d’un atome d’uranium 235 peuvent continuer à taper sur d’autres atomes d’uranium 235.

La réaction se produit encore et encore dans une réaction en chaîne. Le schéma ci-dessus montre comment cette réaction en chaîne augmente de manière exponentielle, générant des quantités croissantes d’énergie au fil du temps.

Les réactions en chaîne de la fission doivent être soigneusement contrôlées. Si elles ne sont pas contrôlées, elles s’arrêtent ou deviennent instables. S’il n’y a pas assez d’uranium 235 et de neutrons, il n’y aura pas assez de collisions pour maintenir la réaction en chaîne et la réaction s’arrêtera. Ou s’il y a trop de collisions entre les neutrons et les atomes d’uranium 235, la réaction en chaîne peut devenir incontrôlée. Une réaction en chaîne non contrôlée pourrait finalement conduire à la fusion du cœur du réacteur.

La modération et l’absorption des neutrons sont deux processus utilisés pour contrôler les réactions en chaîne de la fission.

À des vitesses plus élevées, les neutrons peuvent passer directement à travers les noyaux des atomes fissiles. Lors de la modération de neutrons, la vitesse des neutrons est réduite. Cela se traduit par un nombre accru de collisions efficaces entre les neutrons et les atomes d’uranium 235, ce qui maintient la réaction en chaîne. Le carbone sous forme de graphite et l’eau sont des substances appropriées à utiliser comme modérateurs.

Un résultat opposé est recherché dans l’absorption des neutrons, car les neutrons sont empêchés d’entrer en collision avec les atomes d’uranium 235, ce qui ralentit la réaction en chaîne. Des barres de contrôle faites d’éléments tels que le cadmium sont utilisées pour absorber les neutrons.

Dans une centrale nucléaire, la réaction en chaîne a lieu à l’intérieur du réacteur. Le schéma ci-dessous montre les parties d’un réacteur. Les barres de combustible contenant de l’uranium 235 se trouvent à l’intérieur du cœur du réacteur qui est rempli d’eau. L’eau est utilisée pour refroidir les barres et ralentir les neutrons par modération. Le cœur du réacteur contient également des barres de contrôle pour l’absorption des neutrons.

Le nombre de barres de contrôle dans le cœur du réacteur, et la profondeur à laquelle elles sont insérées dans le cœur du réacteur, peuvent être ajustés afin de contrôler le taux de fission.

Le schéma ci-dessous montre comment l’énergie électrique est générée par la fission dans le cœur du réacteur.

La réaction en chaîne génère beaucoup d’énergie thermique qui chauffe l’eau du cœur du réacteur. L’eau chaude est pompée vers un générateur de vapeur, ou une chaudière, où elle est transformée en vapeur. La pression de la vapeur fait tourner une turbine qui à son tour génère de l’électricité. La vapeur est refroidie et condensée en eau liquide dans de grandes tours de refroidissement. Les grandes tours sur l’image plus haut sont des tours de refroidissement. Enfin, cette eau refroidie est repompée dans le cœur du réacteur et le cycle est répété.

Exemple 3: Identification de l’ordre correct du transfert d’énergie dans une centrale nucléaire

Quel est l’ordre de transfert de l’énergie électrique générée par la fission nucléaire à partir des barres de combustible à travers une centrale ? 

Réponse

Dans une centrale nucléaire, une grande partie de l’énergie thermique est générée par des réactions de fission dans les barres de combustible, qui se trouvent à l’intérieur du cœur du réacteur. Cette énergie thermique est utilisée pour convertir l’eau du cœur du réacteur en vapeur, soit dans le cœur du réacteur, soit dans une chaudière attenante. La vapeur de la chaudière fait tourner les turbines et l’énergie électrique est ensuite générée dans le générateur. Ainsi, l’ordre de transfert d’énergie correct est : barres de combustible, réacteur, chaudière, turbines et enfin, générateur. Cet ordre correspond la réponse B.

Le processus de production d’électricité dans une centrale nucléaire génère des déchets radioactifs de longue durée de vie. Les barres de combustible usées ne sont pas les seuls déchets dangereux. Les vêtements et les outils des travailleurs qui sont entrés en contact avec le combustible nucléaire contiendront également de petites quantités de matières radioactives et devront être éliminées avec soin. Les déchets nucléaires sont d’abord stockés sous l’eau pour être refroidis. Après un certain temps, l’uranium des barres de combustible épuisées peut être soit recyclé soit enterré.

Comparons les avantages de l’énergie nucléaire issue de la fission avec ceux de l’énergie produite par les combustibles fossiles. Le tableau résume les avantages et les inconvénients de chacun.

Tout d’abord, les réactions nucléaires libèrent beaucoup plus d’énergie que l’énergie dégagée par la combustion de combustibles fossiles. Un volume de carburant beaucoup plus petit est nécessaire pour produire de l’énergie nucléaire. Les deux procédés produisent des déchets dangereux. La combustion de combustibles fossiles génère plus de polluants atmosphériques, mais les déchets nucléaires sont radioactifs, parfois pour des milliers d’années. Le volume des déchets nucléaires est beaucoup plus petit que le volume des déchets produits par la combustion de combustibles fossiles. Pour cette raison, l’énergie nucléaire est considérée par certains pays « plus verte » et plus respectueuse de l’environnement. D’autres pays ont toutefois interdit la production d’électricité à partir de l’énergie nucléaire.

La fusion nucléaire a lieu lorsque deux ou plusieurs noyaux atomiques plus légers entrent en collision et se combinent entre eux pour former un noyau atomique différent et plus grand. Le nouveau noyau produit est plus lourd que les deux noyaux d’origine.

De très grandes quantités d’énergie sont libérées lors de ce processus. L’énergie libérée par le Soleil est générée par des processus de fusion. Les pressions dans le Soleil sont très élevées, avec des températures de millions de degrés Celsius. Ces conditions permettent aux noyaux atomiques d’entrer en collision et de fusionner. Dans le Soleil, à chaque seconde, des centaines de millions de tonnes d’hydrogène se combinent pour former de l’hélium.

Plusieurs différents types de réactions de fusion ont lieu dans le Soleil. La plus simple de ces réactions est représentée par l’équation nucléaire suivante : 

Quatre noyaux d’hydrogène entrent en collision et se combinent pour former un noyau d’hélium. Deux positrons sont également produits. Au cours de ce processus, une partie de la masse d’hydrogène est transformée en énergie.

Les réactions de fusion génèrent beaucoup plus d’énergie que les réactions de fission et ne génèrent aucun déchet radioactif de longue durée de vie. Cependant, les réactions de fusion comme moyen de production d’énergie durable ne sont pas encore possibles. Actuellement, les centrales nucléaires n’utilisent que la fission comme méthode de production d’énergie et n’utilisent pas de réactions de fusion pour produire de l’électricité. La raison en est que la fusion est incroyablement difficile à réaliser, et encore plus difficile à maintenir, en raison des températures et des pressions extrêmement élevées nécessaires pour fusionner des noyaux chargés positivement. Les scientifiques ne peuvent pas encore maintenir les conditions nécessaires pour entretenir des réactions de fusion ; les scientifiques étudient pourtant comment cela pourrait être fait et peut-être qu’à l’avenir, la fusion nucléaire sera également utilisée pour produire de l’électricité.