D’où vient l’énergie nucléaire ?

D’où vient l’énergie nucléaire ?

30 novembre 2019 Par Cyril Pitrou

Les énergies renouvelables ont pour origine le rayonnement du soleil reçu par la Terre. Mais d’où vient l’énergie nucléaire utilisée dans les centrales ?

Les noyaux atomiques

Tout d’abord, avant de répondre à cette question, il faut rappeler les ingrédients essentiels de la physique nucléaire. Les atomes sont constitués d’un noyau chargé positivement et d’électrons chargés négativement qui orbitent autour (dans des états quantiques…). La physique nucléaire est la branche de la physique qui s’intéresse aux propriétés de ces noyaux atomiques. Ils sont constitués de particules (non élémentaires) appelés nucléons, qui sont soit des protons (chargés) soit des neutrons (non chargés comme leur non l’indique). Un noyau atomique est donc entièrement caractérisé par son nombre de protons noté Z, et son nombre de neutrons N.

Le nombre de protons est ce qui détermine le nom de l’élément. Ceux-ci sont habituellement rangés dans la classification périodique ci-dessous, en fonction du nombre croissant de protons. Avec un seul proton c’est l’hydrogène (H), avec deux protons c’est de l’hélium (He), avec trois du lithium (Li) etc…

Classification périodique des éléments. Source : Pixabay.

Et chaque élément (un nombre de protons donné) se décline en différents isotopes selon le nombre de neutrons. Par exemple l’hélium-3 possède 3 nucléons, mais en tant qu’élément on sait qu’il a 2 protons. On en déduit donc qu’il a un neutron (2+1=3). Tandis que l’hélium-4, beaucoup plus courant a aussi deux protons, mais également deux neutrons, d’où le chiffre 4 associé pour le nombre total de nucléons (2+2=4).

On observe au passage,que l’uranium fait partie d’un sous groupe appelé les actinides, et qu’il possède 92 protons. Il fait d’ailleurs partie des plus gros noyaux. Les isotopes les plus courants sont l’uranium-238 qui a donc 146 neutrons (238-92=146), et l’uranium-235 qui possède seulement 143 neutrons (235-92=143).

Une manière bien plus pratique de ranger les différents noyaux est alors de faire un damier, avec sur un axe le nombre de neutrons N, et sur l’autre le nombre de proton Z. On peut ainsi visualiser sur chaque ligne les isotopes d’un même élément.

Classification des noyaux en fonction du nombre N de neutron (axe horizontal) et du nombre Z de protons (axe vertical).

Energie de liaison

Il existe deux manières de former des noyaux. Soit en réunissant des noyaux plus petits (la fusion), soit en cassant des noyaux plus grands (la fission). Mais ce qui est fondamental dans toute la physique nucléaire, c’est que l’énergie d’un noyau n’est jamais égale à l’énergie de ses constituants. Il faut rappeler que l’énergie peut exister sous forme d’énergie cinétique (elle est alors associée à la vitesse), mais également sous forme de masse. On parle alors d’énergie de masse, Einstein nous a appris que pour toute masse m, l’énergie de masse est E=mc2. Si on prend un ensemble de protons et de neutrons isolés, et qu’on les réunit (on les fait fusionner) pour former un noyau, celui-ci aura une masse qui n’est pas la même que la masse des protons et neutrons utilisés pour le former. Autrement dit la masse d’un noyau est toujours différente de la masse de ses constituants. Elle est en même toujours plus petite.

Prenons un exemple. Si on considère le deutérium (un noyau constitué d’un proton et d’un neutron, un isotope de l’hydrogène), on observe que sa masse (plus précisément son énergie de masse) est de 1875.5 MeV, tandis que les masses du neutron et du proton sont de 939.5 MeV et 938.2 MeV respectivement.

NB : Le MeV, pour Méga-électron-Volt, est une unité d’énergie.

Si vous faites le calcul, vous en concluez donc que le deutérium possède 2.2 MeV d’énergie en moins que ses constituants pris individuellement. Il s’agit de l’énergie de liaison. Lorsque deux objets physiques sont liés par une force attractive, l’énergie est plus basse que lorsqu’ils sont séparés. Ici, les nucléons dans un noyaux sont liés par les forces nucléaires. Tout se passe comme si le proton et le nucléon pèsent chacun 1.1 MeV de moins lorsqu’ils sont liés dans un noyau de deutérium.

Et cette énergie de liaison n’est pas perdue car l’énergie est une quantité conservée. Lorsqu’un proton et un neutron fusionnent, ces 2.2 MeV sont transférés à un photon. Et 2.2 MeV pour un photon c’est extrêmement puissant ! On parle alors de rayon gamma. La réaction de fusion qui produit le deutérium peut donc être illustrée de cette manière :

Fusion du deuterium. Un proton p et un neutron n, permettent de former le deuterium D en émettant un photon gamma. Les énergies sont données en MeV sous la réaction. Source : de l’auteur.

On peut continuer à former des noyaux plus complexes, c’est-à-dire avec plus de protons et plus de neutrons, et regarder à chaque fois l’énergie de liaison, c’est-à-dire la quantité d’énergie récupérable dans l’opération. Plus précisément, on va regarder l’énergie enlevée aux nucléons comme on vient de le faire pour le deutérium. On arrive alors sur le graphique suivant (courbe noire) :

Energie de liaison par nucléon, en fonction du nombre de nucléons. Source : wikipedia. En bleu le sens des réactions de fusion qui produisent de l’énergie. en rouge le sens des réactions de fusion qui consomment de l’énergie.

On voit que le deutérium (en bas à gauche, noté H2) figure bien à 1.1 MeV signifiant que tout se passe comme si chaque nucléon dans ce noyau avait perdu cette quantité d’énergie, et l’avait ainsi libérée. En suivant la courbe, on note que pour l’hélium-3 (noté He3), tout se passe comme si chaque nucléon avait perdu 2.6 MeV environ. Et pour l’hélium-4 (noté He4), tout se passe comme si chaque nucléon avait perdu 7 MeV ! Et ça continue comme ça jusqu’au fer. Le fer est tout en haut de cette courbe (noté Fe56), et c’est dans ce noyau que les nucléons ont perdu, et donc libéré, le plus d’énergie. Il s’agit donc du noyau le plus stable.

L’énergie du soleil

Pour faire court, ce sont ces réactions de fusion partant du noyau d’hydrogène (un proton) pour donner des éléments plus gros jusqu’à former du fer, qui occupent l’essentiel du très long temps de vie des étoiles. D’abord elles forment de l’hélium, puis du carbone, de l’oxygène etc… jusqu’à la phase finale où elles fabriquent du fer, puis elle meurent faute de carburant. Dans le détail c’est évidemment un peu plus compliqué, car cela dépend de la masse des étoiles, et les étoiles ne vont former des éléments que dans une certaine zone proche du centre, mais on peut tout de même dire sans trop tordre la vérité que les réactions de fusion jusqu’au fer, ou jusqu’à des éléments un peu plus légers, sont la source d’énergie des étoiles, qui est ensuite rayonnée en lumière. Cela explique au passage la formation des éléments plus petits que le fer. En effet, en fin de vie l’étoile va exploser (les plus grosses pour être exact), et rejeter tous ces éléments dans le milieu interstellaire. Ensuite, le nuage ainsi formé va se contracter (on parle de nébuleuse) graduellement et s’effondrer pour former une nouvelle étoile et des planètes gravitant autour. Comme aime à le dire Hubert Reeves, nous sommes tous poussière d’étoiles (le carbone de la matière organique est plus léger que le fer et il est donc fabriqué comme expliqué ci-dessus). Le soleil a un peu moins de 5 milliards d’années, mais l’Univers en a quasiment 14. Il s’est donc formé à partir de débris d’étoiles plus anciennes arrivées en fin de vie.

Au passage, on peut ajouter que c’est grâce à l’énergie reçue du soleil qu’il y a du vent, des nuages, des précipitations. L’éolien, l’hydraulique et le solaire sont des énergies qui ont toutes pour origine les réactions de fusion nucléaire au sein du soleil. Car l’énergie dégagée par ces réactions est évacuée par le rayonnement émis par le soleil. Indirectement, les renouvelables ne le sont pas puisque le soleil mourra un jour dans plusieurs milliards d’années, et de plus elles sont d’origine nucléaire ! Le concept de renouvelable est donc relatif à une échelle de temps donnée, et ce qui est pertinent est bien sûr de prendre le temps caractéristique de l’humanité (inférieur au million d’années) pour juger de l’aspect durable d’une source d’énergie.

Par ailleurs les énergies fossiles sont un stockage de cette énergie solaire. Le pétrole, le charbon et le gaz naturel sont une forme stockage de l’énergie solaire et donc d’énergie de fusion nucléaire, sous forme d’énergie de liaison chimique.

Les éléments plus lourds

Si les étoiles ne fabriquent pas les éléments au delà du fer, comment les éléments plus lourd ont-ils pu se trouver dans la nébuleuse à l’origine du système solaire, et au final sur Terre ? La réponse a été trouvée dans les années 50. Il a été compris qu’il existait deux processus, l’un lent (appelé processus s, avec s comme slow) et l’autre rapide (appelé processus r, avec r comme rapide) qui permettaient de fabriquer des éléments plus lourds que le fer.

NB : Les physiciens sont parfois terriblement ennuyeux quand il s’agit de nommer les choses. Parfois ils inventent de belles expressions comme quark ou big-bang, mais le plus souvent c’est d’un manque de poésie frappant…

Ces processus consistent à gaver les noyaux déjà formés par des neutrons pour les faire grossir. Mais attention, il faut des neutrons qui puissent apporter de l’énergie, car l’énergie de liaison au delà du fer diminue. Au delà du fer, les noyaux possèdent moins d’énergie que leur constituants, mais c’est de moins en moins le cas, si bien que pour former ces noyaux lourds, il faut non seulement apporter des nucléons, mais également de l’énergie. Pour résumer, les réactions de fusion jusqu’au fer libèrent de l’énergie, mais au delà elles en consomment. Cette énergie cinétique supplémentaire apportée se retrouve stockée par l’énergie de liaison associée aux forces nucléaires. Les noyaux lourds se transforment en réservoirs d’énergie qui peut être libérée lorsque le chemin inverse est réalisé, c’est-à-dire lorsque ces noyaux lourds sont fissionnés.

Dans le processus s on gave les noyaux lentement, si bien qu’ils ont le temps de digérer cet excès de neutrons en les transformant en protons, afin de rester équilibrés (à peu près autant de protons que de neutrons). Dans le cas du processus r on les gave comme des oies, sans leur laisser le temps de retrouver une forme harmonieuse. On finit par former des noyaux plus gros qu’avec le processus s, et surtout avec sensiblement plus de neutrons que de protons.

Sur la figure ci-dessous, on a colorié en bleu tous les noyaux qui sont formés au cours du processus s, et en rouge ceux formés par le processus r. Ces processus peuplent les éléments de plus en plus chargés en nucléons, c’est-à-dire en partant du bas à gauche (le fer) pour aller vers le haut à droite.

Source : Pumo, M.L.. (2012). The s-process nucleosynthesis in massive stars: current status and uncertainties due to convective overshooting. 10.5772/34308.

A la fin du processus r (en rouge), les noyaux digèreront un peu et ils transformeront certains neutrons en protons. De la fin de la séquence de fabrication par le processus r, et après cette digestion d’une partie des neutrons, on obtiendra alors des actinides, avec notamment de l’uranium. On peut voir cela de manière dynamique sur cette belle animation.

Fusion d’étoiles à neutrons

En plus de raffiner la compréhension de ces deux processus, la question qui a alors occupé les astrophysiciens, a été de déterminer où dans l’Univers les conditions peuvent être réunies pour enclencher ces processus. Ce n’est pas évident du tout ! Pour le processus s, on sait que c’est dans les grosses étoiles en fin de vie, mais pour le processus r ce fut longtemps resté très mystérieux, car il faut un nombre invraisemblable de neutrons (qui n’existent pas à l’état naturel sans se désintégrer au bout de quelques minutes), et de plus il faut qu’ils aient beaucoup d’énergie cinétique et donc que la température soit très élevée.

En 2017, les astronomes de la collaboration LIGO / Virgo ont observé pour la première fois les ondes gravitationnelles émises par la fusion de deux étoiles à neutrons. Le signal mesuré par les détecteurs d’ondes gravitationnelles ressemble à ça :

Diagramme fréquence-temps de la fusion d’étoiles à neutrons GW170817.
Source : LIGO, Abbott et al. Phys. Rev. Lett. 119, 161101

Il s’agit de la fréquence de l’onde gravitationnelle mesurée dans le détecteur en fonction du temps. La signature de la coalescence de ces deux étoiles à neutrons est la ligne en forme de virgule Nike verte. Comme elle monte, cela signifie que la fréquence ne fait qu’augmenter. Quand la ligne s’arrête, les deux étoiles ne font plus qu’une et le système cesse brutalement d’émettre ces ondes gravitationnelles. Si on devait écouter le signal dans un haut parleur, cela ressemblerait au bruit d’une pièce qui tombe et qui oscille de plus en plus rapidement jusqu’à ne plus bouger.

Mais le plus beau c’est que contrairement à la fusion de deux trous noirs qui avait été détectée pour la première fois en 2015, et pour lesquels aucune lumière ne peut être émise, les astronomes ont pu observer la lumière émise juste après la fusion de ces deux étoiles à neutrons. On appelle ce phénomène lumineux une kilonova, et on a ainsi pu comprendre qu’il s’agissait de la lumière émise par la matière éjectée lors de la fusion d’étoiles à neutrons, et qui trouve une grosse partie de son énergie dans la radioactivité des noyaux lourds formés. Si vous souhaitez imaginer à quoi ressemble un tel événement cataclysmique, voici une vision d’artiste :

Source : NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet.

Le plus intéressant dans cet événement, est qu’on a pu observer le spectre de la lumière émise en fonction du temps (quelques minutes après, quelques jours après, quelques semaines après etc…). Observer le spectre signifie qu’on a pu séparer les différentes couleurs qui constituent la lumière de cette kilonova, et cela ressemble à ça :

Spectres de la kilonova associée à GW170817 pour différents temps. Le temps augmente de haut en bas. Source : Pian et al. Nature, 551, p67–70 (2017).

Si on en croit l’article de Pian et al., on peut lire dans ces spectres (et c’est là qu’il faut vraiment faire confiance aux scientifiques…) que des actinides ont été produits dans la matière éjectée par la fusion de ces deux étoiles à neutrons. Bingo ! Si on regarde le tableau périodique des éléments en haut de cet article, on voit que les actinides sont très lourds avec au moins 90 protons, et au moins autant voire largement plus de neutrons. On sait qu’ils sont trop lourds pour être fabriqués par le processus s, et c’est donc qu’ils ont été fabriqués par le processus r. Actuellement, la théorie qui tient la corde, c’est que la fabrication des éléments lourds par processus r a lieu principalement dans les fusions d’étoiles à neutrons. Watson et al. ont par ailleurs aussi identifié du strontium produit dans cet événement cosmique. La matière expulsée se retrouve ensuite dans le milieu interstellaire et est recyclée dans la formation de systèmes stellaires ultérieurs, comme notre système solaire. Nous vivons sur des poussières d’étoiles, et même des rebuts d’étoiles à neutrons….

Le fin mot de l’histoire

Pour gaver les noyaux avec les processus r, il faut beaucoup de neutrons, et qu’ils aient assez d’énergie (qu’ils soient assez chaud) pour permettre la fabrication d’éléments plus lourds que le fer. D’où viennent les neutrons, qui par ailleurs n’existent pas en liberté, et d’où vient leur très grande énergie ?

Lorsqu’une étoile massive arrive en fin de vie, et si elle est suffisamment grosse (un peu plus grosse que notre soleil au moins), elle s’effondre quand elle manque d’énergie nucléaire. Elle produit alors soit un trou noir, soit une étoile à neutrons. Au passage, cela donne lieu à une belle explosion qu’on appelle une supernova. On a longtemps cru que c’était dans ces explosions que les conditions étaient réunies pour enclencher le processus r. Lors de l’effondrement, la matière se compresse de matière vertigineuse et les protons mangent des électrons pour former des neutrons. De plus lorsqu’un corps s’effondre il convertit de l’énergie potentielle gravitationnelle en énergie cinétique puis en énergie thermique quand les vitesses deviennent désordonnées. On peut donc affirmer que lors de l’effondrement d’une étoile en fin de vie, la matière s’effondre vers le centre, et l’énergie gravitationnelle est convertie en énergie thermique. Et ça chauffe sacrément !

On a donc longtemps cru que les conditions idéales pour les processus r étaient réunies dans les effondrement d’étoiles en fin de vie. Malheureusement lorsque l’on regarde dans le détail, il semblerait que cela soit le cas, mais que les quantités de noyaux lourds produits et éjectés ne soient pas suffisantes pour expliquer tout ce qu’on observe autour de nous.

Avec la fusion d’étoiles à neutrons, c’est un peu la même histoire qui se répète. Les deux étoiles s’effondrent l’une sur l’autre, convertissant une quantité vertigineuse d’énergie gravitationnelle en énergie thermique, dans un milieu très riche en neutrons. Des neutrons ultra-énergétiques vont gaver très rapidement les noyaux, et les fragments éjectés dans la violence de l’impact seront donc très riches en éléments très lourds. Il semblerait désormais que cela soit la source principale d’éléments lourds dans l’Univers.

Si on résume, toute l’énergie qui vient du soleil, à savoir le solaire, l’hydraulique, l’éolien et même les énergies fossiles, ont pour origine de l’énergie nucléaire fournie par la fusion d’éléments légers dans le soleil. En revanche, l’énergie stockée dans les noyaux lourds comme l’uranium, et libérée par fission, a pour origine l’énergie thermique utilisée lors de la fabrication de ces éléments lourds. Et cette énergie thermique, donc cinétique, provient de la conversion d’énergie gravitationnelle lors de la coalescence de deux étoiles à neutrons. Au final, l’énergie nucléaire de nos réacteurs est d’origine gravitationnelle. Surprenant ?

Vous vous souvenez des publicités d’EDF dans les années 90 où un jeune fanfaronnait que sa guitare n’était pas électrique, mais en fait nucléaire ? Et bien si on pousse le raisonnement jusqu’au bout, sa guitare est gravitationnelle. Einstein a également compris avec sa théorie de la relativité générale de 1915 que la gravitation est une manifestation de la géométrie de l’espace-temps. En abusant de cette interprétation, on pourrait affirmer que la guitare n’est ni électrique, ni nucléaire, ni gravitationnelle… elle est géométrique ! Quand on voit la forme des guitares électriques de certains groupes de rock, on se dit qu’elles sont effectivement très géométriques…

Source : Image par Open-Clipart-Vectors de Pixabay.

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Image couverture : Pixabay.