Énergie nucléaire

Énergie nucléaire

L'énergie nucléaire est l'ÉNERGIE produite par le noyau d'un atome. Sur des étoiles comme le SOLEIL, des paires d'atomes légers (surtout de l'hydrogène) fusionnent et produisent un rayonnement qui atteint la Terre sous forme d'ÉNERGIE SOLAIRE. La FUSION NUCLÉAIRE, c'est-à-dire l'union des noyaux atomiques, est une forme d'énergie nucléaire. Une autre forme vient de la division (fission) des atomes lourds comme l'URANIUM. La probabilité que les atomes d'uranium naturel subissent une fission spontanée est très faible. Le cas échéant, une paire d'atomes plus légers, appelés produits de fission, se forme et deux ou trois neutrons (des particules subatomiques provenant du noyau d'origine) sont émis. Les réactions nucléaires sont fondamentalement différentes des autres réactions énergétiques. En effet, la combustion d'un combustible conventionnel ou le passage de l'eau dans un générateur hydroélectrique ne modifie pas les atomes, bien que, dans le cas des combustibles, ils se combinent chimiquement de nouveau. Par conséquent, la quantité de matière ne change pas. Dans le cas des réactions nucléaires, les atomes eux-mêmes sont modifiés et une petite quantité de matière est convertie en énergie.

Pour comprendre comment les processus opposés que sont la fusion et la fission peuvent tous deux produire de l'énergie, il faut une connaissance du principe de la « courbe d'énergie de liaison » et de l'équation « E = mc² » d'Einstein. Les noyaux de tous les atomes sont formés de nucléons. Un nucléon peut être un proton, une particule subatomique possédant une charge électrique positive, ou un neutron, dont la charge est neutre. La masse de tout noyau est légèrement inférieure à la masse totale des nucléons qui le constituent. Cette différence, ou « défaut de masse », représente l'énergie de liaison des nucléons. D'après l'équation d'Einstein, selon laquelle l'énergie (E) égale la masse (m) multipliée par le carré de la vitesse de la lumière (c), même une très petite masse représente une énergie importante. Une masse de 100 kg entièrement convertie en énergie répondrait à l'ensemble des besoins énergétiques des Canadiens pendant un an. Si l'on trace la courbe de l'énergie de liaison par nucléon en fonction du nombre de nucléons d'un noyau, on obtient la courbe arquée de l'énergie de liaison. La courbe débute avec l'hydrogène (un nucléon) et elle monte ensuite brusquement jusqu'à l'oxygène (16 nucléons). Elle monte ensuite moins rapidement jusqu'à l'arsenic (75 nucléons) avant de descendre lentement vers l'uranium (238 nucléons). Ainsi, la fusion de deux noyaux légers en un noyau plus lourd produit une certaine quantité d'énergie de liaison, tandis que la fission d'un noyau très lourd en deux noyaux intermédiaires produit un peu moins d'énergie par nucléon, mais implique un plus grand nombre de nucléons.

Radioactivité

La radioactivité est la forme d'énergie nucléaire que l'on retrouve dans les minerais radioactifs naturels (par exemple, le RADIUM) et dans les radio-isotopes artificiels utilisés à des fins médicales ou industrielles. La plupart des noyaux qui résultent d'une fission sont radioactifs. Tous les noyaux radioactifs sont instables et, tôt ou tard, ils se désintègrent en émettant des particules subatomiques accompagnées de rayons gamma (similaires aux rayons X). La particule émise peut être une particule alpha, une combinaison particulièrement stable de deux neutrons et de deux protons, ou une particule bêta (aussi appelée électron), une particule subatomique de charge négative formée lors de la transformation d'un neutron en proton. Après l'émission, le noyau peut demeurer radioactif ou être stable. Il est impossible de connaître le moment où un noyau radioactif se désintégrera. Toutefois, parmi un grand nombre de noyaux du même genre, la moitié se désintégrera pendant la période propre à ce type de noyau, que l'on appelle la période radioactive. La moitié des noyaux qui restent se désintégreront pendant la seconde période radioactive, et ainsi de suite. Par conséquent, après 10 périodes radioactives, il ne restera plus qu'environ un millième de la matière radioactive totale. L'ÉNERGIE GÉOTHERMIQUE, la chaleur qui provient du centre de la Terre et qui atteint la surface, résulte de la désintégration radioactive de noyaux lourds comme l'uranium et est une autre forme d'énergie nucléaire.

Les radio-isotopes sont des sources de chaleur extrêmement fiables pour certaines applications. Un isotope de plutonium (plutonium 238), un sous-produit des réacteurs à fission nucléaire, sert à l'alimention des stimulateurs cardiaques et des satellites. Le cobalt 60 peut servir à alimenter les bouées de navigation. Les appareils qui utilisent des radio-isotopes émettant des rayons gamma doivent être munis d'un blindage protecteur contre le rayonnement. Il y a une contrainte fondamentale propre aux sources radioactives : plus la radioactivité est intense (donc, plus la chaleur produite est élevée), plus la période radioactive de la source est brève. Par exemple, la période radioactive du cobalt 60 est de 5,27 ans. Après cette période, il produit deux fois moins de chaleur et de radiation qu'au début.

Fission nucléaire

Ernest RUTHERFORD et Frederick Soddy, de l'U. McGill à Montréal, ont fourni une contribution vitale à la compréhension de la radioactivité au début du XX^e siècle. Ce sont eux qui décrivent pour la première fois de quelle façon un noyau d'un élément se transforme pour devenir le noyau d'un autre élément, c'est-à-dire par émissions radioactives. En 1904, Rutherford suppose « qu'une énorme réserve d'énergie latente résidait dans les atomes des radioéléments » et que cette énergie pourrait être emmagasinée si l'on pouvait maîtriser la vitesse de la désintégration radioactive. Bien qu'il n'ait pas réussi à maîtriser la vitesse de la désintégration, l'homme a quand même réussi à maîtriser la fission nucléaire. Ce fait, démontré pour la première fois par Enrico Fermi dans un court de squash à l'U. de Chicago en 1942, a donné une grande importance à cette réaction nucléaire.

La maîtrise de la fission repose sur l'existence d'une réaction en chaîne. L'uranium naturel se compose de 99,28 p. 100 d'isotopes d'uranium 238, de 0,71 p. 100 d'uranium 235 et de très petites quantités d'autres isotopes. Lorsque le noyau d'un atome d'uranium 235 est touché par un neutron, les probabilités de fission sont très élevées. Cette probabilité est très faible dans le cas de l'uranium 238. Ce procédé de fission nucléaire induite a été découvert en 1938 par deux Allemands, Otto Hahn et Fritz Strassmann. Lorsqu'un atome d'uranium 235 subit une fission, il émet deux ou trois neutrons. Si l'un de ces neutrons frappe un autre atome d'uranium 235 et en provoque la fission, d'autres neutrons pouvant induire d'autres fissions sont émis, et ainsi de suite. C'est la réaction en chaîne. Ainsi, une fois enclenché, le processus de fission s'entretient lui-même. Si, en moyenne, un seul neutron de chaque fission produit une autre fission, le processus est équilibré et un niveau constant de chaleur est produit. Les autres neutrons s'échappent de la masse d'uranium ou sont absorbés par la matière autre que l'uranium 235 contenue dans la masse. C'est ce qui se produit dans un réacteur nucléaire fonctionnant à un régime stable.

Pour augmenter la puissance, on retire certains absorbeurs de neutrons en compétition pour permettre à la réaction en chaîne de diverger jusqu'à ce que le niveau de puissance requise soit atteint. La production équilibrée de neutrons est ensuite rétablie pour stabiliser le niveau de puissance. Pour diminuer la puissance ou fermer le réacteur, on augmente la quantité d'absorbeurs de neutrons.

Peu importe la quantité d'uranium naturel accumulée, aucune fission significative n'aura lieu parce que l'uranium 235 ne contient pas suffisamment d'atomes fissiles pour alimenter une réaction en chaîne. Les quelques neutrons produits sont absorbés par les atomes d'uranium 238, dont le nombre est beaucoup plus important, et ne sont donc plus disponibles pour provoquer d'autres fissions. Une solution consiste à augmenter artificiellement la proportion d'atomes d'uranium 235, comme c'est le cas dans les usines d'enrichissement de l'uranium qui exploitent les petites différences de propriétés physiques qui existent entre les deux isotopes d'uranium. Une solution plus ingénieuse consiste à partager l'uranium en petits groupes et à entourer chaque groupe d'un « modérateur » dont le rôle est de ralentir les neutrons émis par un groupe avant qu'ils ne frappent le groupe suivant. Les neutrons lents induisent la fission de l'uranium 235 beaucoup plus facilement que les neutrons rapides. Généralement, les éléments comportant des atomes légers constituent de bons modérateurs. L'eau ordinaire n'a pas la capacité de soutenir une réaction en chaîne d'uranium naturel, le graphite très pur (le carbone) fonctionne beaucoup mieux et l'eau lourde, un mélange de deutérium et d'oxygène, est le meilleur modérateur. Le deutérium, l'isotope lourd de l'hydrogène, est naturellement présent dans l'hydrogène à raison d'une partie pour 7000. On obtient l'eau lourde en enrichissant le contenu en deutérium de l'eau naturelle dans des usines d'eau lourde.

Un neutron absorbé par un atome d'uranium 238 n'est pas perdu, il est simplement emmagasiné. Le noyau composé obtenu se transforme ensuite spontanément par désintégration radioactive en un isotope d'un autre élément, le plutonium 239. Bien que l'uranium 238 ne soit pas fissile, le plutonium 239 l'est. C'est pourquoi on dit de l'uranium 238 qu'il est fertile. Tout comme l'uranium 235, le plutonium 239 peut alimenter une réaction de fission nucléaire. Le thorium, un autre combustible nucléaire naturel qui ressemble un peu à l'uranium 235, est presque entièrement composé de thorium 232, un isotope fertile qui peut produire, par l'absorption d'un neutron, l'uranium 233 fissile. On peut combiner ces combustibles nucléaires de remplacement et les différents modérateurs pour produire de la chaleur et de l'électricité dans les CENTRALES NUCLÉAIRES.

Historique

Des réacteurs nucléaires naturels existaient déjà il y a deux millions d'années environ. À cette époque, des réactions nucléaires en chaîne dégageant une chaleur considérable se produisent dans d'importants gisements d'uranium à Oklo au Gabon, dans l'Ouest de l'Afrique. Cet événement préhistorique, qui a été découvert récemment à la suite de l'analyse chimique de l'uranium restant, illustre les principes de base de la radioactivité et de la fission. Puisque l'uranium 235 est radioactif et que sa période radioactive est de 0,7 milliard d'années, l'uranium naturel à l'origine de la réaction en aurait contenu plus de 5 p. 100, une concentration fissible suffisante pour alimenter une réaction en chaîne avec l'eau ordinaire comme modérateur.

La réaction nucléaire a probablement commencé à la suite de l'infiltration d'eau souterraine dans le gisement. Lorsque la chaleur produite par la réaction en chaîne et la fission a atteint un niveau suffisant pour faire bouillir l'eau et l'expulser, la réaction s'est arrêtée par le fait même en raison de l'absence de modérateur. Ce cycle s'est probablement répété plusieurs fois, comme un gigantesque percolateur fonctionnant pendant des centaines de milliers d'années. Selon les analyses, le plutonium produit dans ces réacteurs naturels est demeuré prisonnier des gisements d'uranium jusqu'à ce que sa propre radioactivité le désintègre complètement, en dépit de l'absence de dispositifs de rétention intentionnels.

Depuis les premiers travaux réalisés par Rutherford et Soddy, le Canada a contribué de façon significative aux sciences et aux applications reliées à l'énergie nucléaire. En 1933, Gilbert LABINE inaugure la première mine de radium du Canada à Port Radium, dans les Territoires du Nord-Ouest, au Grand lac de l'Ours. L'uranium, que l'on trouve toujours avec le radium, est alors considéré comme un déchet. En 1940, George LAURENCE entreprend des expériences avec l'uranium et le graphite comme modérateur dans les laboratoires du Conseil national de recherches à Ottawa. S'il avait utilisé des matériaux plus purs, il aurait peut-être obtenu une réaction en chaîne avant Fermi. On rouvre la mine de l'ELDORADO GOLD MINES LIMITED à Port Radium en 1942 pour extraire de l'uranium.

En 1943, à titre d'effort de guerre des Alliés, on met sur pied à Montréal une équipe regroupant des chercheurs du Canada et du Royaume-Uni, secondée par une importante participation française, pour développer le concept du réacteur nucléaire à eau lourde. La même année, on produit de l'eau lourde pour la première fois au Canada, à l'usine d'engrais ammoniacal synthétique de la Consolidated Mining and Smelting Corp. de Trail, en Colombie-Britannique, grâce à un processus norvégien. En 1944, C. J. MACKENZIE, alors responsable du programme canadien, écrit avec prévoyance au ministre C. D. HOWE, son supérieur : « Je crois que le Canada a la chance unique de s'engager dans un projet qui non seulement est extrêmement important à court terme du point de vue militaire, mais qui peut révolutionner le monde autant que l'invention de la machine à vapeur et la découverte de l'électricité ».

En 1944, on construit les laboratoires de Chalk River en Ontario et, en 1945, le premier réacteur hors des États-Unis, la pile expérimentale d'énergie zéro. En 1946, W. Bennett LEWIS, qui sera plus tard le principal responsable du développement technique du réacteur nucléaire canadien CANDU, devient le directeur technique de Chalk River, remplaçant John Cockcroft qui prend la direction du programme du Royaume-Uni. Les premiers radio-isotopes produits par le réacteur NRX de Chalk River sont mis en marché en 1949. En 1951, Harold Johns et d'autres mettent au point les premiers appareils de radiothérapie utilisés pour le traitement du cancer dans le monde. Ces appareils fonctionnent avec le COBALT produit par le réacteur NRX et sont installés au Victoria Hospital de London, en Ontario, et à l'University Hospital de Saskatoon, en Saskatchewan.

Depuis lors, le Canada a exporté plus de 1300 appareils et le cobalt nécessaire à leur fonctionnement à plus de 80 pays. On évalue que ces appareils ont épargné 13 millions d'années-personnes en espérance de vie. En 1962, on inaugure la première centrale d'énergie nucléaire au Canada, l'usine pilote de démonstration sur l'énergie nucléaire de Rolphton, en Ontario. Cette centrale illustre tous les principes essentiels de la conception du réacteur CANDU.

Avenir

Bien qu'il soit encore impossible de maîtriser la fusion, les conditions requises sont assez bien connues. On sait que la fusion des atomes d'hydrogène ordinaire (la réaction qui se produit sur le soleil) serait extrêmement difficile à réaliser. On utilise plutôt les isotopes de l'hydrogène, le deutérium et le tritium, dans les expériences sur la fusion. Il semble que la fusion du deutérium avec le tritium soit plus facile à réaliser que la fusion du deutérium avec le deutérium. Il faut d'abord que les atomes de deutérium et de tritium atteignent une température très élevée, environ 100 millions °C. Les atomes doivent ensuite demeurer ensemble assez longtemps pour que la fusion se produise. Ces rencontres se produisent d'autant plus souvent que la population des atomes est plus dense. Les exigences minimales nécessaires pour produire la densité et le temps requis pour la fusion du deutérium et du tritium sont généralement de 10 atomes s/cm³.

Puisque aucun matériau structural ne peut supporter les températures élevées nécessaires à la réaction de fusion, il fallait découvrir d'autres moyens pour contenir les atomes en réaction. À ces températures, les atomes sont ionisés, c'est-à-dire chargés d'électricité, et soumis à des forces lorsqu'ils sont en mouvement dans un champ magnétique. Par conséquent, on peut utiliser des champs magnétiques pour contenir les atomes chauds dans un confinement magnétique. Dans un confinement par inertie, une petite pastille de deutérium-tritium solide est bombardée de tous les côtés par des rayons LASER à haute énergie ou par des particules chargées. Ces rayonnements intenses réchauffent la pastille et, en provoquant des ondes de choc, compriment son volume initial à environ 1/1000. L'augmentation de la densité permet de diminuer la période de confinement nécessaire.

Il est présentement impossible d'en évaluer les coûts, puisque la faisabilité du processus de fusion contrôlée n'est pas prouvée et qu'aucun réacteur à fusion pratique n'existe. Comme dans le cas de l'énergie solaire et de la fission nucléaire, le combustible est abondant et peu coûteux, mais les coûts des installations nécessaires pour obtenir une forme d'énergie utilisable sont appréciables. Bien avant que la fusion ne devienne une source d'énergie de remplacement de la fission, les deux réactions pourraient se compléter dans un système hybride. Tout en produisant de l'énergie, la réaction de fusion fournirait des neutrons à haute énergie qui, par d'autres réactions nucléaires, pourraient être multipliés en plusieurs neutrons de plus faible énergie. Ceux-ci pourraient ensuite être absorbés par des matières fertiles, comme l'uranium 238 ou le thorium, pour produire des matières fissiles qui alimenteraient des réacteurs à fission conventionnels. À cette fin, une autre réaction nucléaire, la spallation, doit être envisagée comme une solution de rechange à la fusion. Dans cette réaction, les atomes lourds (par exemple, le plomb) bombardés de particules légères (par exemple, des noyaux d'hydrogène) émettent des neutrons à haute énergie qui peuvent être utilisés de la même manière pour alimenter le réacteur. Contrairement à la fusion, la spallation a déjà été mise à l'épreuve en laboratoire.

L'énergie nucléaire offre une nouvelle source d'énergie juste au moment où l'on prend conscience des limites des combustibles chimiques (pétrole, gaz naturel et charbon). S'ils sont recyclés, les combustibles nucléaires sont pratiquement inépuisables. Toutefois, le rayonnement de l'énergie nucléaire, comme la chaleur de l'énergie chimique, comporte des avantages et des inconvénients.

Le rayonnement, comme le feu, doit être respecté et non redouté. La vie a évolué dans un milieu où le rayonnement existe depuis la nuit des temps. Le gouvernement fédéral assure la sécurité du public et des travailleurs et protège l'environnement en réglementant les SERVICES PUBLICS D'ÉLECTRICITÉ, les hôpitaux, les universités et les autres organismes qui utilisent l'énergie nucléaire et les radio-isotopes. Ces règlements reposent sur des normes internationales et, au Canada, leur application relève de la Commission de contrôle de l'énergie atomique. En outre, il y a eu plus de 10 enquêtes publiques au Canada au cours desquelles on a étudié différents aspects de l'industrie nucléaire, allant de la PROSPECTION et de l'EXPLOITATION MINIÈRE de l'uranium, à la sécurité des réacteurs nucléaires jusqu'au traitement des déchets nucléaires dangereux (voir DÉCHETS DANGEREUX). Toutes ces enquêtes ont indéniablement conclu qu'il était dans l'intérêt du public de poursuivre l'exploitation de l'énergie nucléaire tout en la soumettant à une réglementation appropriée.