Les sources d'énergies fossiles  Les sources d'énergies renouvelables

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Petit historique

Les sources d'énergies nucléaires, contrairement aux sources d'énergies fossiles, ne sont pas connues depuis la nuit des temps. Bien au contraire, ce n'est que très récemment par rapport à l'âge de l'humanité que les physiciens ont découvert leur existence.

Tout à commencé à la fin du XIX^ème siècle, en 1896 précisément, lorsque Henri Becquerel (1852-1908) découvrit que qu'un minerai, appelé pechblende, émettait spontanément un rayonnement invisible pouvant traverser la matière et impressionner une plaque photographique placée derrière une plaque métallique. Il venait de découvrir ce qui allait être appelé rapidement la radioactivité.

À la suite de cette découverte, Pierre et Marie Curie ont découvert plusieurs autre substances radioactives telles que la polonium ou le radium.

Comment ça marche ?

Les rayonnements émis par les matériaux radioactifs sont de trois types : alpha, beta et gamma. Tous les trois sont fortement énergétiques. Des désintégrations se produisant au sein d'un matériau radioactif représente la libération d'une grande quantité énergie. Cette énergie ne vient pas de nulle part, elle n'a rien de magique, simplement elle dormait au coeur des atomes. Les atomes sont les petites particules qui forment la matière. Ils sont eux-mêmes constitués d'un noyau autour duquel tourbillonnent de minuscules particules appellées électrons.

Mais l'énergie de la radioactivité ne se cache pas dans le nuage des électrons. Non, il faut aller encore plus en profondeur, DANS le noyau de l'atome pour la dénicher. En effet, en l'espace d'une trentaine d'années, on a découvert que le noyau est en réalité composé de particules agglutinées : les nucléons. Certains nucléons sont chargés électriquement : ce sont les protons. Les autres ne présentent pas de charge électrique : ce sont les neutrons. Les protons et les neutrons sont les briques qui forment le noyau de l'atome. Mais alors, qu'est-ce qui fait tenir ces nucléons ensemble ? La gravité ? Non, c'est bien une nouvelle force, qu'on appelle force nucléaire. C'est cette force qui maintient la cohésion des noyaux atomiques. L'énergie qui y est ratachée a naturellement été appelée énergie nucléaire.

En 1938, fut découvert un moyen d'extraire une partie de cette énergie de la matière. La fission nucléaire était née.

Puis dans les années 1950, les chercheurs se penchèrent sur un autre principe de production d'énergie nucléaire : la fusion thermonucléaire.

Ce sont ces deux principes qui sont à l'origine de l'énergie nucléaire que l'homme exploite maintenant depuis quelques décennies et certainement pour quelques autres encore.

Pour reprendre la terminologie vue précédemment, les énergies nucléaires sont des sources d'énergies :

• Primaires : Il s'agit d'une énergie que l'on va chercher au coeur des noyaux atomiques.
• Nobles, exclusivement dégradables : Il s'agit des énergies à l'origine de la diversité des éléments naturels dans l'univers. Cependant, cette énergie ne peut pas se transformer autrement qu'en énergie dégradée : l'énergie thermique.
• Non-renouvelables : Les matériaux desquels on peut extraire l'énergie nucléaire ne sont pas renouvelables. Ils ont été produits dans les étoiles aux cours des temps où la Terre n'existait pas encore. Leur quantité sur la Terre est donc limitée et leur destruction lors de la fission ou de la fusion est irréversible.

Il faut enfin noter que l'énergie produite par les réactions nucléaires qui se produisent au cœur de notre planète bleue est à l'origine de la dérive des continents, des tremblements de terre, des raz-de-marées et du volcanisme. On retrouve une petite partie de cette énergie sous forme de chaleur, dans le sol : c'est l'énergie géothermique.

La fission nucléaire (Uranium)

Le mot fission a été inventé à partir du mot latin fissio qui exprime l'action de fendre. On parle donc de réaction de fission nucléaire, lorsque le noyau d'un atome se divise en deux. Pour quelle raison casser un noyau en deux libère-t-il de l'énergie ? Mmm... là réside tout le secret du physicien... Bah ! Je blague. Simplement, c'est pas de la tarte à expliquer.
En fait, il faut savoir que les atomes n'ont pas tous la même tête. C'est comme tout : il y en a des petits, des grands et des gros et gras. Certains sont même obèses ! Et comme souvent, certains se sentent trop gros, ne sont pas dans leur assiette et se verraient bien perdre quelques nucléons. En général, il ne passent jamais à l'acte par eux-mêmes. Par contre, si on les bouscule... Par exemple, si un neutron, un minuscule neutron filant à toute bombe leur rentre dedans, ils vont en être tellement déstabilisés que PAF ! ils vont se diviser en deux morceaux de noyaux, qui vont former deux atomes plus petits. Au moment du "PAF" précédent, ils vont aussi libérer d'autres petites choses : quelques neutrons, quelques minuscules neutrinos et.... de l'énergie ! La voilà, cette fameuse énergie de fission. C'est un peu comme si le noyau avait explosé en deux morceaux plus quelques miettes, dans un fracas assourdissant. Hé oui ! Parce que cette énergie est colossale à l'échelle d'un atome. Par exemple, la fission d'un noyau d'uranium libère environ 190 MeV !

Mmm... des Mev ? Vous ne connaissez pas ? Zut ! Je me disais bien que je n'avais pas dû tout mettre dans la page Mesurer l'énergie. Vous voyez, le problème avec l'énergie, c'est qu'elle ne peut pas s'empêcher de changer de forme et de se cacher un peu n'importe où. C'est la raison pour laquelle il faut tant d'unités de mesure différentes pour parler toujours de la même chose.

Mev, ça signifie Mégaélectron-Volt. Oui, je sais ce n'est pas bien plus clair, mais c'est l'unité la plus pratique pour parler d'énergie nucléaire, parce qu'un Mégaélectron-Volt correspond à 1,6x10^-13 joule, et donc 1 joule correpond à 6 200 000 000 000 (six mille deux cents milliards) de MeV. C'est dire si le MeV est une unité qui sert à mesure de toutes petites quantités d'énergie ! Alors 190 MeV c'est... une énergie de rien du tout. Mais ce n'est pas rien. Faisons un rapide calcul : dans un gramme d'uranium naturel il y a environ 180x10¹⁷ noyaux qui peuvent fissionner. Si tous ces atomes fissionnaient effectivement cela libèrerait... 336x10¹⁹ MeV, soit l'équivalent de 540 000 000 de joules. Si on pousse encore plus loin le calcul, on trouve qu'un dé d'uranium naturel, d'un centimètre-cube, contient environ 10 GJ (10 milliards de joule) ou encore 2 800 kWh. C'est l'énergie qui permet de faire fonctionner une lampe de 100 W pendant 28 000 heures. Ou plutôt qui permettrait de le faire, si toute cette énergie, stockée au coeur du minerai d'uranium pouvait être convertie en électricité.

Avantages

• C'est la forme d'énergie exploitable la plus concentrée. À partir de peu d'uranium, on peut extraire beaucoup d'énergie.
• La fission nucléaire n'engendre pas d'émission de gaz à effet de serre.

Inconvénients

• Les gisements d'uranium sont peu nombreux et donc très recherchés.
• Une partie des déchets produits (plutonium) sont nécessaires à la production des bombes atomiques. C'est ce que l'on appelle la prolifération nucléaire. C'est pourquoi combustible et déchets doivent être étroitement surveillés.
• Les installations nucléaires présentent des risques d'emballement qui peuvent amener des conséquences extrêmement grâves en cas d'explosion (dispersion de matière radioactive dans l'environnement, pollution irréversible des sols qui deviennent impropres à l'agriculture et à la vie humaine). Elles nécessitent une surveillance extrême. L'accident de la centrale de Tchernobyl de 1986 est dans toutes les mémoires. Certaines catastrophes naturelles peuvent entraîner la destruction partielle ou totale d'un réacteur nucléaire, comme ce fut le cas à Fukushima au Japon en 2011. Et la liste des accidents nucléaires est déjà bien longue.
• Le rendement de la transformation de la chaleur libérée par la matière radioactive en énergie électrique ne dépasse pas 33 % environ, ce qui signifie qu'une grande partie de l'énergie libérée est définitivement gaspillée.
• La radioactivité se "transmet" d'un matériau radioactif à un autre qui ne l'est pas initialement. C'est le phénomène d'activation. Ainsi, si au départ, seul le combustible de la centrale est radioactif, à la fin de la vie de la centrale, une grande partie de ses éléments (murs, canalisations, etc.) est devenue radioactive.
• Les déchets produits par l'industrie de l'uranium et les centrales nucléaires forment la majeure partie des déchets radioactifs terrestres. Ces déchets sont radioactifs et par conséquent dangereux pour les êtres vivants qui peuvent se trouver en contact ou à proximité d'eux. Une très grande partie de ces déchets est faiblement radioactive (donc pas trop dangereuse) et une très petite partie de ces déchets est extrêmement radioactive (donc extrêmement dangereuse). Ces déchets perdent peu à peu leur radioactivité mais très lentement. Ils sont donc nocifs et impossibles à recycler ce qui pose un problème majeur de gestion (Où faut-il les mettre ? Comment éviter qu'ils ne de dispersent dans l'environnement ?).

Utilisation

• L'énergie de fission nucléaire est utilisée pour produire de l'électricité dans des centrales nucléaires, installations imposantes trés massives. Ce mode de production, trés centralisé peut alimenter une région à elle seule. La puissance électrique de ces installations peut varier entre 900 et jusqu'à 1450 MWe (e pour électrique), mais il faut savoir qu'en général, plusieurs centrales nucléaires sont regroupées sur un même site (jusqu'à six en France, à Gravelines).
• L'énergie de fission nucléaire est utilisée à des fins militaires : ce sont les fameuses bombes atomiques. Elle sert aussi à propulser des navires et sous-marins de guerre.

La fusion thermonucléaire

La fusion thermonucléaire correspond à un autre type de réaction nucléaire : celle où deux noyaux atomiques se collent pour ne former plus qu'un seul noyau. Il s'agit de la réaction inverse de la réaction de fission. Celle-ci ne produit de l'énergie que si les noyaux initiaux sont très petits, ceux de l'hydrogène par exemple.

Il s'agit de l'énergie primaire la plus utile à l'humanité puisque ce sont les réactions de fusion thermonucléaire qui sont à l'origine de la chaleur et de la lumière émises par... le soleil, et plus généralement par toutes les étoiles. Grâce à elles, le soleil brille et apporte l'énergie nécessaire à la vie à la surface de la Terre. Au cœur des étoiles, ces réactions produisent les métaux et éléments qui forment l'ensemble de la matière présente dans l'Univers. Bref, cette réaction est à l'origine de tout.

Comment pourrait-on exploiter cette ressource énergétique sur Terre ? C'est bien difficile. Des chercheurs se penchent sur la question depuis déjà un bon moment, mais la centrale à fusion n'est pas pour demain. En effet, cette énergie est, elle aussi, très concentrée, mais surtout, les moyens à mettre en œuvre pour l'extraire sont considérables : il faut recréer sur Terre les conditions de température et de pression qui règnent à l'intérieur du soleil ! Ça ne vous dit rien ? Il faut porter un gaz à 100 millions de degrés Celsius ! À cette température, le gaz n'a qu'une envie : se dilater (c'est ce qui arrive lors d'une explosion). Or dans notre cas, il faut justement contenir cette explosion en maintenant le gaz sous pression suffisamment longtemps pour que les réactions s'amorcent. Mais à de telles températures, qu'est-ce qui va maintenir de gaz en place ? La réponse à toutes ces questions n'est pas encore connue et il est possible que l'intelligence humaine n'arrive jamais à maîtriser et à maintenir en vie un soleil articifiel. Pour l'instant les techniques à l'étude ne permettent pas de faire fonctionner un réacteur plus d'une seconde environ. Pas le temps de libérer tellement d'énergie.

Avantages

• L'un des combustibles, le deutérium, est très abondant, puisqu'on le trouve dans l'eau de mer.
• La fusion thermonucléaire n'engendre pas d'émission de gaz à effet de serre.
• La fusion thermonucléaire ne devrait pas entraîner de risque d'explosion des réacteurs.

Inconvénients

• L'autre combustible, le tritium, n'existe quasiment pas dans la nature. Il faudrait le produire à l'aide d'une autre réaction nucléaire à partir de lithium, un matériaux difficile à produire.
• Si jamais une centrale est finalement opérationnelle un jour, elle devra être immense afin de maintenir plus facilement les conditions nécessaire à l'entretien de la réaction. C'est donc une énergie dont la production sera hypercentralisée.
• Les coûts de recherche puis de construction des centrales sont et seront colossaux.
• Comme pour toute réaction nucléaire, l'exploitation de ces centrales produira des déchets (forte dégradation des matériaux de la centrale notamment).
• Le rendement de la transformation de l'énergie nucléaire en énergie électrique ne dépassera pas non plus 33% en raison du passage inévitable de l'énergie sous forme de chaleur.

Utilisation

• L'énergie de fusion thermonucléaire n'a encore jamais été exploitée à des fins civiles. Un projet international, du nom d'ITER a pour vocation la réalisation d'un réacteur de fusion thermonucléaire. Le site qui a été choisi est celui de Cadarache, en Provence (France). L'objectif est de vérifier qu'un tel réacteur peut fonctionner de manière durable. Il permettra de tester les matériaux afin de trouver les plus résistants. À long terme, ce projet pourrait déboucher sur la réalisation d'un réacteur de démonstration puis d'un prototype industriel de production d'énergie électrique... mais pas avant 50 ans.
  Pour en savoir plus, le mieux est de jeter un œil sur le site web du projet.
• Par contre, l'énergie de fission thermonucléaire est utilisée à des fins militaires : ce sont les fameuses bombes H (ou bombes à hydrogène) et elles marchent très bien !

¹ Pour se convaincre de la réalité du gaspillage (qui n'est pas spécifique aux centrales nucléaires mais à la majorité des centrales dites "thermiques"), je vous invite à prendre connaissance, par exemple, du bilan énergétique de la France pour l'année 2004 proposé par le Ministère de l'Industrie. La grosse flèche bleue qui part de la gauche (la chaleur servant à produire l'électricité) se voit bien réduite sur la partie droite (électricité produite). Entre le deux, le schéma montre une grosse flèche qui part vers le haut et qui représente l'énergie dévolue au chauffage... des oiseaux et des poissons et à la fabrication des nuages, secteurs d'activité dans lesquels les centrales thermiques sont bien plus performantes que pour la production d'électricité !

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