Énergie fossile et énergie nucléaire (Sources principales : « La radioactivité est-elle dangereuse ? », Jean-Marc Cavedon, CEA, « La radioactivité alpha », « Uranium 235 », articles de Wikipédia) 1. La radioactivité La radioactivité est un des très rares signaux que nous avons de l'infiniment petit. La matière est constituée à partir d'atomes. L'atome comprend un noyau et des électrons qui gravitent autour. http://www.cirac.org/shroud/Discussion/stable.gif Les noyaux des atomes radioactifs émettent des particules qui nous informent sur le fait que le noyau est en cours de transmutation. Après émission de ces particules, le nouveau noyau est stable : sa transformation est finie. Nous disons que les particules émises sont des « rayons », et donc que l'atome est « radioactif ». 1.1 Exemple : La radioactivité alpha ( ) La désintégration alpha peut être vue comme une forme de fission nucléaire où le noyau père se scinde en deux noyaux fils dont l'un est un noyau d'hélium (constitué de deux protons et deux neutrons). 1 où A représente le nombre de nucléons, et Z le nombre de protons. Emission d'une particule alpha https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/79/Alpha_Decay.svg La particule alpha émise est en mouvement. Elle a donc une énergie cinétique. La radioactivité alpha de l'atome d'uranium 235 est utilisée dans les réacteurs nucléaires pour produire de l'énergie. 1.2 Exemple de radioactivité alpha : l'uranium 235 L'uranium 235 ( radioactivité α. 235 U ), se désintègre spontanément en thorium 231 par 235 U → 231 Th+α . La radioactivité est donc un phénomène naturel. 1.3 Le danger de la radioactivité Paracelse, un médecin suisse du 16e siècle, nous dit : « C'est la dose qui fait le poison ». La radioactivité relève exactement du même schéma que les toxiques, les champignons, les poisons : une petite dose peut très bien ne pas avoir d'effet (la radioactivité naturelle, par exemple, n'a pas d'effet délétère). Une grande dose de radioactivité peut être dangereuse, voire mortelle. 2. Réaction en chaîne La radioactivité alpha est spontanée mais aléatoire. C'est-à-dire que personne ne sait quand un atome d'uranium 235 va se désintégrer. Mais la radioactivité alpha peut être induite par un neutron incident sur le noyau. La fission induite de l'uranium 235 par absorption d'un neutron est la réaction de ce type la plus connue. Elle est du type : X et Y étant deux noyaux moyennement lourds et généralement radioactifs : on les appelle des produits de fission. On voit que de l'uranium 236 est produit, qui lui-même se désintègre en émettant des neutrons. 2 Ainsi la fission induite d'un noyau d'uranium 235 peut donner deux produits de fission, le krypton et le baryum, accompagnés de trois neutrons : En tout, les trois neutrons peuvent provoquer trois fissions, donc 9 neutrons, eux-mêmes potentiellement à la source de 9 fissions, donc 27 neutrons, etc. On voit que le nombre de produits de fission (Kr, Ba) augmente très rapidement. On parle de réaction en chaîne, car un neutron cause la fission d'un noyau fissile produisant un plus grand nombre de neutrons qui à leur tour causent d'autres fissions. Les noyaux de krypton et de baryum sont émis lors d'une fission induite avec une certaine vitesse. Ils ont donc une énergie cinétique. Si le nombre de fissions est très grand, l'énergie produite est très grande aussi. Schéma d'une réaction en chaîne de fission nucléaire https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9a/Fission_chain_reaction.svg Si la réaction en chaîne n'est pas maîtrisée, elle mène à une explosion d'une intensité extrême : c'est ce qu'on cherche dans la bombe atomique. Dans les réacteurs nucléaires, on maîtrise la réaction en chaîne pour produire beaucoup d'énergie mais sans explosion. Etant donné l'inquiétude suscitée par le nucléaire, les exploitants des centrales nucléaires investissent beaucoup dans la gestion du risque : en principe, actuellement, tout accident survenant à l'intérieur de la centrale reste confiné dans la centrale. Depuis les attentats du 11 septembre 2001, le risque qu'un avion s'écrase sur une centrale nucléaire est pris en compte, et 3 une protection extérieure est mise en place pour qu'un avion qui s'écrase sur une centrale nucléaire n'impacte pas son fonctionnement interne. Mais le risque zéro n'existera jamais. 2.1 Accidents En 1985, l'accident nucléaire de Tchernobyl a été provoqué par l'augmentation incontrôlée de la puissance du réacteur n°4 (suite à une réaction en chaîne non maîtrisée) conduisant à la fusion du cœur. Cela a entraîné une explosion et la libération d'importantes quantités d’éléments radioactifs dans l’atmosphère, provoquant une très large contamination de l'environnement, et de nombreux décès et maladies survenus immédiatement ou à long terme du fait des irradiations ou contaminations. Il s'agit du premier accident classé au niveau 7 sur l'échelle internationale des événements nucléaires (INES) (le second étant la catastrophe de Fukushima du 11 mars 2011), et il est considéré comme le plus grave accident nucléaire jamais répertorié. Etat du réacteur n°4 de la centrale de Tchernobyl quelques semaines après l'explosion http://www.astrosurf.com/luxorion/Physique/tchernobyl-closup-reacteur.jpg 4 Tchernobyl aujourd'hui http://culturevisuelle.org/catastrophes/files/2011/03/tchernobyl-aujourdhui.jpg L'accident nucléaire de Fukushima a eu lieu le 11 mars 2011 au Japon, à la suite d'un séisme et d'un tsunami. Le séisme du 11 mars 2011 a entraîné un arrêt automatique des réacteurs en service, la perte accidentelle de l'alimentation électrique et le déclenchement des groupes électrogènes. La cuve du réacteur a probablement été fissurée à ce moment-là. À la suite du tsunami provoqué par le séisme, des groupes électrogènes de secours sont tombés en panne. Des débris ont sans doute obstrué des prises d'eau. Ces défaillances, couplées à plusieurs erreurs humaines, ont causé l'arrêt des systèmes de refroidissement de secours des réacteurs nucléaires. Le défaut de refroidissement des réacteurs a induit des fusions totales des cœurs d'au moins deux réacteurs nucléaires puis d'importants rejets radioactifs. L'accident nucléaire de Fukushima est différent de celui de Tchernobyl : à Tchernobyl, l'origine de l'accident était interne à la centrale. A Fukushima, l'origine est extérieure. 5 Accident de Fukushima http://content.time.com/time/photogallery/0,29307,2058823_2276624,00.html Accident de Fukushima http://www.larousse.fr/encyclopedie/images/Accident_de_Fukushima/1313084 3. Décroissance radioactive La décroissance radioactive est la réduction du nombre de noyaux radioactifs (instables) dans un échantillon. La décroissance radioactive se produit jusqu'à ce que tous les noyaux de l'échantillon soient stables. Les noyaux radioactifs se désintègrent. Mais nul ne peut dire quand. L'instant où un noyau radioactif se désintègre est aléatoire. Par contre, nous avons des informations statistiques sur l'évolution du nombre 6 de noyaux radioactifs dans un échantillon. 3.1 La période radioactive Par définition, on appelle « période radioactive » (ou demi-vie) T 1/ 2 la durée au bout de laquelle le nombre de radionucléides présents dans l'échantillon est réduit de moitié. Si l'on observe un échantillon de matière radioactive, au bout d'un temps T 1/ 2 , cet échantillon aura (par définition) perdu la moitié de sa matière, et il ne restera plus que la moitié de la matière initiale. Mais au bout de deux fois ce temps, la perte de matière supplémentaire ne porte plus que sur la moitié restante et non sur le total initial ; au bout de deux fois T 1/ 2 il restera donc la moitié de la moitié de la matière initiale, c'est-à-dire le quart. De même, au bout de trois fois T 1/ 2 il ne restera plus que de l'échantillon initial, et ainsi de suite. 1/23=1 /8ème Le nombre de noyaux d’un échantillon radioactif diminue de moitié au bout d’un temps caractéristique appelé " période radioactive". http://www.laradioactivite.com/fr/site/pages/PeriodeActivite.htm Les centrales nucléaires produisent des déchets radioactifs de longue demi-vie (appelés produits de fission, PF) : • Le césium 135, d'une demi-vie de 2,3 millions d’années. • Le zirconium 93, d'une demi-vie de 1,53 million d’années. • Le technétium 99, d'une demi-vie de 211 100 ans. • L’iode 129, d'une demi-vie de 15,7 millions d’années. • Le palladium 107, d'une demi-vie de 6,5 millions d’années. • L’étain 126, d'une demi-vie de 100 000 ans. • Le sélénium 79, d'une demi-vie de 280 000 ans. 7 Pour ces corps dont la durée de vie est sans rapport avec les échelles de temps historiques, il n'existe pas de solution définitive actuellement. La solution généralement employée consiste à les confiner dans une matrice adaptée et les stocker en couche géologique profonde. La génération actuelle léguera donc aux générations futures, la gestion, pendant des millénaires, des déchets nucléaires. 4. Gestion des déchets Les déchets nucléaires sont très toxiques pour très longtemps. Mais ils sont localisés. Ils sont donc en théorie gérables. 4.1 « Gestion » des gaz à effet de serre Les centrales au charbon produisent des déchets : du gaz carbonique CO2. Ce déchet n'est pas géré, il est émis dans l'atmosphère n'importe où dans le monde, il impacte toute la planète et les générations futures, car le CO2 est un gaz à effet de serre. La Terre émet naturellement des rayonnements infrarouges (c'est-à-dire de basse énergie). Une partie de ces rayonnements sort de l'atmosphère terrestre et continue sa route dans l'espace. Mais certains gaz (appelés « gaz à effet de serre ») ont pour caractéristique d'absorber une partie des infrarouges émis par la surface de la Terre. Ils contribuent ainsi au réchauffement climatique. Comme nous venons de le voir, le CO2 est un gaz à effet de serre. Par conséquent, les centrales au charbon contribuent au réchauffement climatique, qui peut induire des catastrophes naturelles. 8 L'effet de serre http://lewebpedagogique.com/changementclimatique1/files/2008/03/effet-serre-thomas-daphney.jpg 4.2 « Gestion » des déchets nucléaires Comme précisé plus haut, les déchets nucléaires sont localisés, donc gérables : on les confine dans des enceintes qui protègent la population de la radioactivité de ces déchets. Mais la gestion des déchets nucléaires doit continuer sur des millénaires. Non seulement nous les léguerons aux générations futures, mais nous les léguerons aux civilisations futures : la civilisation égyptienne a duré un peu plus de trois millénaires. La connaissance des hiéroglyphes a ensuite été perdue pendant à peu près 2000 ans, jusqu'au XIXème siècle. Dans trois millénaires, qui sait si quelqu'un connaîtra encore les écritures et les langues actuelles ? La connaissance des lieux de stockage des déchets radioactifs risque donc de se perdre. C'est pourquoi l'industrie nucléaire emploie des égyptologues pour trouver un moyen d'assurer à longue échéance la transmission de l'information. 5. Déréglement climatique L'énergie nucléaire contribue très faiblement au déréglement climatique, contrairement aux énergies fossiles (gaz, charbon, mazout, ...). 9 Mais elle contribue aussi très faiblement à la production d'énergie à l'échelle mondiale. Le passage au tout nucléaire pourrait faire économiser 6% des émissions de gaz à effet de serre. Les mesures d'efficacité énergétique (isolation des bâtiments, par exemple) pourraient faire économiser 38% des émissions de gaz à effet de serre, selon les estimations les plus optimistes. https://commentvalaplanete.wordpress.com/le-rechauffement-climatique/ 5. Conclusion Travail : recenser les avantages et inconvénients de l'électricité nucléaire par rapport aux énergies fossiles. Présenter l'ensemble sous forme d'un débat entre un partisan du nucléaire et un opposant au nucléaire. 10