Le laboratoire du Dr Stein

Aujourd'hui: l'énergie nucléaire

Aide de jeu générique contemporain/SF

Tinkle Bavard n°10

Je voudrais donc vous parler de l'énergie nucléaire, car trop de personnes ont tendance à penser qu'une centrale nucléaire peut exploser comme une bombe atomique. Et comme on rencontre facilement des moteurs nucléaires ou des armes atomiques dans des jeux de rôles contemporains ou futuristes, ce n'est pas un sujet totalement dénué d'intérêt.

D'où vient l'énergie nucléaire? Il y a deux réactions dites "nucléaires": la fission et la fusion. La fission est l'énergie nucléaire classique. La fusion est ce qui alimente les étoiles. Elle n'est pas encore maîtrisée. Sa seule application, à l'heure actuelle, est la bombe H.

La fission est basée sur le principe suivant: les atomes qui composent la matière, sont eux-mêmes formés de protons et de neutrons (plus des électrons qui orbitent autour de tout cela). Les protons portent une charge électrique positive et, de ce fait, ont tendance à se repousser. Ce sont les neutrons, qui, comme leur nom l'indique, ne portent aucune charge, qui permettent au noyau de maintenir son unité, en "diluant" les charges des protons. Plus un atome possède de protons, plus il faut de neutrons pour le stabiliser. Cette relation n'est pas linéaire, elle augmente plus vite que cela. Ainsi, le plomb, qui possède 82 protons, contient aussi 125 neutrons. Si l'atome n'a pas assez de neutrons, il est instable et se sépare en deux autres atomes. C'est la fission, dont voici un exemple:

U représente l'uranium, Sr le strontium et Xe le Xénon (non, pas le flipper). Le chiffre du bas donne le nombre de protons de l'élément, c'est le numéro atomique. Le chiffre en haut est la masse atomique et représente le nombre de protons plus le nombre de neutrons. n indique un neutron et un rayon gamma (énergie pure, très dangereux).

On voit donc qu'il suffit de l'ajout d'un neutron pour déclencher le tout. Mais, me direz-vous, si, justement, l'uranium manque de neutrons, pourquoi l'ajout d'un neutron le fait-il éclater au lieu de le stabiliser? C'est une bonne remarque, mais cela dépend de l'énergie du neutron. Les neutrons propres à engendrer une réaction de fission sont peu énergétiques et sont appelés des neutrons "thermiques" (1).

Les neutrons qui sont libérés lors de la fission sont trop énergétiques pour les besoins de la fission. Ainsi, les barres d'uranium sont entourées d'atténuateurs. Ce sont des matériaux particulièrement denses, dans lesquels les neutrons vont faire de nombreuses collisions, réduisant à chaque fois leur énergie, jusqu'à ce qu'ils soient des neutrons thermiques. Les atténuateurs les plus utilisés sont le beryllium, le graphite et l'eau lourde (2).

Et d'où vient toute l'énergie? Lors de la fission, il y a une perte de masse, comme on peut s'en apercevoir en faisant un bilan. Cette masse est transformée en énergie, selon le fameux principe d'Einstein:

E = mc²

E représente l'énergie, m la masse et c la vitesse de la lumière (soit 300'000 km/s). Oh, bien sûr, quand on voit la quantité d'énergie produite par une fission, on se dit que ça ne fait pas grand-chose (même pas un centième de milliardième de calories, pas de quoi faire une crise de foie). Toutefois, il ne faut pas oublier qu'il y a énormément d'atomes dans la matière, donc beaucoup de réactions de fissions dans un très petit volume.

Imaginez, par exemple, un volume d'un centimètre cube, à peu près la taille d'un dé à six face classique. Fait en uranium, ce dé pèsera 19 grammes (contre 1 ou 2 grammes pour un dé en plastique). Si tous les atomes contenus dans ce dé se fissionnaient en même temps, il s'en dégagerait une énergie de 370 millions de kcal. Prenez un bocal de confiture à la cuisine et comparez: ça vous fait, grosso modo, 275'000 pots de confiture (de 500 g, soit 137,5 tonnes de confiture). Tout ça dans un d6! Pas mal, non?

La réaction de fission peut s'obtenir à partir d'uranium 235 ou de plutonium 239 (qui est un déchet de la fission de l'uranium). Ce dernier produit une réaction encore plus énergétique. C'est cette constatation qui est à la base du projet de surgénérateur Phénix. L'uranium 235 est très rare dans la nature, ne comptant que pour 0,7% de tout l'uranium extrait, la plupart étant de l'U238, trop stable pour engendrer une fusion rentable. Ainsi, le pourcentage d'U235 dans l'U238 est augmenté par des procédés chimiques (jusqu'à 3%). C'est ça, l'uranium enrichi (3).

Ce qui fait tout l'intérêt de la chose, c'est que, lors de la réaction, de nouveaux neutrons sont libérés. Ils vont, à leur tour, aller percuter des atomes d'uranium, qui vont libérer d'autres neutrons et ainsi de suite. C'est la réaction en chaîne.

"Venons en au fait, mon cher Dr. Stein, pourquoi un réacteur nucléaire ne produit pas une aussi belle explosion que celle d'Hiroshima, résolvant ainsi les problèmes de surpopulation de nombreuses cités européennes?"

Eh bien, voyez-vous, dans une centrale nucléaire, les barres d'uranium sont isolées les unes des autres par de plaques de cadmium 113 (appelé le régulateur). Le Cd113 absorbe les neutrons et devient du Cd114, qui est extrêmement stable. Ainsi, on garde un contrôle total de la réaction: quand ça chauffe un peu trop, on bloque la réaction en insèrant un peu plus les plaques de cadmium. A la limite, quand les plaques sont totalement enfoncées, la réaction s'arrête et on peut éteindre le réacteur. Tout ceci est automatisé, mais il s'exerce quand même toujours une surveillance humaine.

Pour qu'une réaction se poursuive, il suffit que chaque fission produise un neutron, qui produit une autre fission, etc. Or, comme on l'a vu plus haut, la réaction produit deux, voire même trois neutrons à chaque fois. Si on laisse le système évoluer ainsi, la réaction s'amplifie et ça explose. C'est là qu'intervient le régulateur: il absorbe les neutrons en excès.

Dans une bombe atomique (bombe A, pour les intimes), il y a deux blocs de plutonium 239, qui sont séparés par du cadmium. Quand on veut que la bombe explose, on retire tout simplement le cadmium et les deux morceaux sont mis en contact. Tout de suite, la fission commence et s'ensuit la terrifiante explosion que l'on sait. La chaleur, au coeur d'une explosion nucléaire, atteint plusieurs millions de degrés. Cet air chaud s'élève (l'air chaud étant plus léger que l'air froid). Ceci crée un vide et donc des vents violents qui se dirigent vers le centre de l'explosion. C'est cela qui crée le champignon nucléaire (le vent entraînant la poussière formée par les choses qui ont été vaporisée au centre de l'explosion). Ensuite, il y a l'onde de choc produite par l'explosion et les radiations mortelles. Ce sont ces trois phénomènes (avec la chaleur), qui contribuent à la létalité de la Bombe.

Pourquoi utiliser du plutonium? C'est très simple. Primo, la réaction de fission produit plus d'énergie, secundo, il est possible d'avoir du plutonium pur (sous-produit de la fission courante). Vous aurez donc une réaction beaucoup plus violente, car rappelez-vous, dans l'uranium, même enrichi, il n'y a guère que 3% de la masse qui participent à la réaction (et c'est pour cela et aussi grâce à la présence d'un régulateur, qu'un réacteur nucléaire ne peut pas exploser comme une bombe).

Le gros problème de l'énergie nucléaire et de la bombe du même métal, ce sont les radiations et les sous-produits radioactifs, quasiment impossibles à éliminer. La solution pourrait bien se trouver dans la fusion thermonucléaire. Elle consiste en la fusion de deux atomes d'hydrogène pour donner un atome d'hélium. Cette réaction libère encore plus d'énergie et a l'avantage d'être absolument propre (en prenant la même masse d'hydrogène que ci-dessus, 19 g, on obtient 13 fois plus d'énergie).

Mais on n'est pas encore au bout de nos peines. Il est beaucoup plus difficile de tenir sous contrôle une réaction de fusion qu'une réaction de fission. Les quelques expériences au monde ne tiennent que quelques secondes et leur rendement est catastrophique, tant les moyens de confinement de la fusion sont coûteux. Mézalors, me direz-vous, pourquoi la bombe à hydrogène (bombe H, qui exploite la fusion) n'est-elle pas propre? C'est simple: pour déclencher une fusion, il faut une très grande chaleur. Dans un laboratoire, elle est obtenue grâce à de puissants lasers, dans une bombe H, elle vient de la détonation d'une bombe A. Elle est donc tout aussi sale.

"Une dernière question, Dr. Stein. Comment le soleil a-t-il commencé? Il n'y avait personne pour lui tirer un laser dessus."

La naissance du soleil est un sujet qui n'a pas encore reçu de réponse certaine. Toutefois, on peut dire que, au début, le soleil n'est qu'une masse d'hydrogène. En tournant sur lui-même, il comprime petit à petit le gaz, jusqu'à atteindre des densités hallucinantes. Cette énorme compression échauffe suffisamment le gaz, pour qu'il commence la fusion (la pression au centre du soleil est des milliards de milliards de fois plus élevée que la pression atmosphérique). Après cela, la seule chaleur de la fusion en cours permet d'alimenter la suivante.

Roboduck

"Pssitt! S'il vous plaît! J'aurais juste voulu savoir quelque chose."

"Non, l'interview est terminée."

"Allez, un bon geste. Je voulais juste savoir quelle confiture vous avez utilisé pour vos calculs."

"Euh... De la confiture de mûres, pourquoi?"

"Oh rien, juste comme ça, la curiosité"

DERNIERES NOUVELLES * DERNIERES NOUVELLES * DERNIERES NOUVELLES * DERNIERES NOUVELLES

"Nous apprenons à l'instant qu'un homme, apparemment totalement fou, a demandé au gouvernement américain 1 milliard de dollars en petites coupures, sous peine de détruire Los Angeles grâce à une bombe atomique composée de 200 tonnes de confiture de fraises. Interrogé sur les motifs de son action, l'homme s'est contenté de répondre, l'air abattu: "J'étais sûr que ça ne marcherait pas, il n'y avait plus de confiture de mûres."

(1) au niveau atomique, la chaleur se traduit par la vibration des particules. Ces neutrons sont donc appelés thermiques, car leur énergie est similaire à celle des vibrations dues à la chaleur.

(2) l'eau est constituée de deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène, d'où la célèbre formule H₂O. Le noyau de l'hydrogène est formé d'un proton et d'un neutron. Le petit frère (en termes scientifiques, l'isotope) de l'hydrogène est le deutérium, comptant, lui, deux neutrons. L'eau lourde a du deutérium à la place de l'hydrogène, ce qui la rend sensiblement plus dense et, donc, meilleur atténuateur que l'eau normale.

(3) à l'opposé, on trouve l'uranium appauvri (en anglais, depleted uranium), dont on a enlevé toute trace d'uranium 235, afin qu'il ne soit plus radioactif. Il sert ensuite à faire des balles perçantes (anti-blindages) ou des blindages (comme celui du M1 Abrams). L'uranium étant 2,5 fois plus dense que l'acier, il le pénètre beaucoup plus facilement. Vous comprenez aussi pourquoi le M1 est si lourd.

© Tinkle Bavard 1991

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