La partie scientifique : Une introduction à la structure atomique et aux réactions nucléaires
L'atome est constitué d'un noyau et d'électrons en orbite autour du noyau. Les minuscules électrons sont des paquets d'énergie avec une charge négative, tandis que le noyau est constitué de deux particules (protons et neutrons) de même poids. La masse du noyau représente 99,975 % du poids de l'atome, l'électron ne représentant que 0,025 %.
Le proton a une charge positive et les atomes de chaque élément ont le même nombre de protons mais peuvent avoir un nombre différent de neutrons, d'où le concept d'isotopes. Le nombre d'électrons est déterminé par le nombre de protons de sorte que la charge négative d'un électron équilibre la charge positive des protons. Le poids atomique d'un atome (A) est déterminé par le nombre de protons (Z) et de neutrons. Ainsi, l'isotope stable du carbone (C-12) a 6 protons et 6 neutrons alors que l'isotope radioactif (C-14) a 6 protons et 8 neutrons et l'oxygène (O-16), 8 protons et 8 neutrons.
L'énergie libérée par le réarrangement d'un proton ou d'un neutron à l'intérieur d'un noyau est importante - environ un million de fois plus importante que l'énergie associée à la modification du nombre d'électrons (c'est-à-dire l'énergie chimique telle que libérée lors des changements chimiques associés à la combustion des combustibles fossiles) à l'intérieur d'un atome.
Un point important à retenir de ce qui précède est qu'il existe différents isotopes d'atomes et qu'ils ont tous le même nombre de protons, mais que le nombre de neutrons dans le noyau atomique varie. Le nombre de protons est appelé numéro atomique (Z). Plus le Z augmente, plus la proportion de neutrons doit être importante par rapport aux protons. C'est important pour que l'énergie de liaison accrue des neutrons puisse contrebalancer la répulsion accrue due à l'augmentation des protons chargés positivement à des numéros atomiques plus élevés. Par exemple, le plus gros atome naturel est l'uranium, qui contient 92 protons. Les deux isotopes communs ont un poids atomique de 235 ou 238, contenant respectivement 143 ou 146 neutrons. Les atomes les plus stables ont un nombre à peu près égal de protons et de neutrons, comme c'est le cas du fer (A=56) qui a 26 protons et 30 neutrons. La répulsion mutuelle des protons rend les atomes de poids atomique supérieur moins stables. La stabilité ne vient que de la force nucléaire qui attire les neutrons et les protons. Cette force nucléaire surmonte la répulsion électrique due à la charge positive. Toutefois, la force nucléaire ne l'emporte sur la force électrique qu'à de très courtes distances (environ 10 puissance négative 15 mètres, 10-15). Cela signifie que les petits noyaux sont plus stables que les grands, car ils peuvent se "serrer" les uns contre les autres.
En principe, les noyaux ayant un grand A (poids atomique) peuvent libérer de l'énergie en se séparant pour former des noyaux plus stables et en libérant de l'énergie au cours du processus. C'est la fission nucléaire, qui est à la base de tous les réacteurs nucléaires. Le point important est qu'au cours de ce processus, des neutrons libres en excès sont émis, qui sont essentiels à la réaction en chaîne nucléaire.
La fission est très rare dans des conditions naturelles (mais pas inconnue : voir ci-dessous). La désintégration alpha, dans laquelle un noyau lourd se divise en hélium et en un noyau plus petit, est plus courante.
C'est la base d'une grande partie de l'énergie radioactive naturelle présente à la surface de la terre. C'est la source d'énergie de la géothermie naturelle. Le polonium et le radium découverts par les Curie à partir de la pechblende, un minerai d'uranium aujourd'hui appelé uranite, car il contient de l'oxyde d'uranium, en sont des exemples.
Seuls l'uranium-238 et l'uranium-235, parmi les atomes présents à l'état naturel, subissent une fission spontanée. En fait, la fission naturelle (spontanée) n'a été découverte qu'en 1940, deux ans après que Hahn, Strassman et Meitner aient observé la fission induite par les neutrons à Berlin.
La raison pour laquelle la fission nucléaire naturelle est si rare est la stabilité causée par la liaison étroite des protons et des neutrons.
Dans les années 1940, on a découvert que si l'uranium 235 absorbe un neutron qui délivre une énergie suffisante pour rendre le noyau instable, une fission se produit. On a également découvert qu'à la suite de cette fission, des neutrons supplémentaires étaient formés, ce qui peut déclencher une réaction en chaîne.
Cette découverte a permis de générer une série de nouveaux radio-isotopes, car les fragments de fission initiaux continuent de se désintégrer sous l'effet des rayonnements alpha et bêta pour former des atomes stables. Par exemple, la désintégration de l'uranium-235 conduit à la formation du plomb-207 qui est stable.
Le premier réacteur nucléaire fabriqué par l'homme devait être basé sur l'uranium-235, car aucune autre matière fissile n'existe dans la nature. La concentration d'uranium-235 ne représente que 0,7 % du minerai naturel. Cette concentration d'uranium-235 ne permet pas d'entretenir une réaction en chaîne car trop de neutrons émis sont absorbés par la majorité de l'isotope uranium-238 également présent. Ainsi, pour déclencher une réaction en chaîne et donc produire de l'énergie, il faut soit augmenter la concentration d'uranium 235 par rapport à l'uranium 238 jusqu'à 5 %, soit utiliser un modérateur. Dans un réacteur, les barres de combustible sont entourées par le modérateur, qui est constitué d'atomes de faible masse, comme l'hydrogène dans l'eau. Le modérateur a deux fonctions principales. La première est de transformer l'énergie libérée par le bombardement neutronique en chaleur qui alimente ensuite les turbines génératrices. La seconde fonction du modérateur est d'augmenter le taux de fission de l'uranium 235 induit par les neutrons. En effet, le risque de fission est accru si l'énergie neutronique est faible. Ainsi, la diminution de l'énergie des neutrons améliore le taux de fission et réduit l'absorption des neutrons par l'uranium-238 aux énergies intermédiaires. Ainsi, un modérateur idéal absorbe peu de neutrons, de sorte qu'une réaction en chaîne peut être entretenue sans avoir besoin de combustible enrichi. L'eau contenant de l'hydrogène-1 de faible masse est un bon modérateur et bon marché, cependant, en raison de son absorption de neutrons, elle nécessite un enrichissement de l'uranium-235 à 5%.
Ce bref résumé du fonctionnement d'un modérateur dans un réacteur nucléaire devrait permettre d'expliquer les différences entre la libération contrôlée d'énergie requise pour un réacteur nucléaire de puissance et la libération explosive d'énergie dans une arme nucléaire. Pour obtenir cette dernière, il faut une concentration d'uranium 235 supérieure aux 5 % utilisés dans les réacteurs civils. Pour obtenir un combustible nucléaire de qualité militaire, il est nécessaire de concentrer l'uranium 235 à 80 %. Il serait difficile et très coûteux de le faire à partir des déchets d'une centrale nucléaire, car ceux-ci ont une concentration d'uranium 235 (1 %) inférieure à celle du combustible de qualité réacteur d'origine et sont contaminés par d'autres isotopes radioactifs. La méthode privilégiée par les États voyous comme l'Iran et la Corée du Nord pour obtenir de l'uranium de qualité militaire consiste à concentrer la teneur en uranium 235 à 80 % à l'aide d'une série de centrifugeuses à grande vitesse.
Une alternative à l'uranium 235 comme combustible nucléaire est le plutonium 239, également sous une forme assez pure. Il peut être produit dans un réacteur nucléaire civil à la suite de l'absorption de neutrons par l'uranium-238.
Cependant, la probabilité est assez élevée que le plutonium 239, produit dans le réacteur, capture un autre neutron pour produire du plutonium 240. Le plutonium-240 est un contaminant indésirable pour le plutonium de qualité militaire, car il provoque un "pétillement". Par conséquent, si un réacteur nucléaire est utilisé pour produire du plutonium-239 de qualité militaire (comme certains des premiers réacteurs étaient configurés), le combustible à l'uranium contenant du plutonium-239 doit être retiré fréquemment du réacteur avant qu'il n'ait le temps d'absorber le neutron supplémentaire. Il s'agit là d'une manière très inefficace d'utiliser le combustible du réacteur pour produire de l'électricité, car il faut environ 10 tonnes d'uranium pour produire une masse critique de plutonium 239. Par conséquent, un terroriste devrait arrêter un réacteur nucléaire après quelques mois, puis extraire le plutonium-239 du combustible partiellement usé.
Gabon par Flo Lorenz.
Le réacteur naturel d'Oklo, au Gabon, en Afrique de l'Ouest, était un gisement géologique composé de 16 filons d'uranium naturel qui, il y a 2 milliards d'années, ont commencé spontanément à subir une fission nucléaire.
Pour ce faire, certaines conditions devaient être réunies, notamment des concentrations suffisantes d'uranium, en particulier d'uranium 235 hautement fissile, et un grès perméable entourant les filons qui permettait à l'eau de s'infiltrer dans la roche où elle agissait comme un modérateur, ralentissant les neutrons et permettant au réacteur d'atteindre la criticité. Les réacteurs fonctionnaient en mode "pulsé", s'allumant et s'éteignant au fur et à mesure que l'eau contenue dans la roche se consumait sous l'effet de la chaleur, après quoi la réaction s'arrêtait, jusqu'à ce que de l'eau supplémentaire percole autour des filons et que la réaction reprenne.
Le processus s'est poursuivi de cette manière - pratiquement sans interruption - pendant environ un million d'années, jusqu'à ce que l'uranium 235 soit épuisé et que les réactions s'arrêtent. L'étude des réacteurs d'Oklo et de l'immobilité relative des produits de fission au cours des siècles a permis de mieux comprendre comment construire des dépôts géologiques profonds efficaces pour les déchets nucléaires.
Contributeurs
1. Duncan Roy, Lewes Green Party
2. Peter Vaughan, Parti vert de East Devon
3. Mark Yelland, Parti vert de Brighton & Hove