ETUDE – Initiation appliquée à l’énergie nucléaire et la radioactivité [Partie 2/4 d’une étude consacrée à la radioactivité]

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*Etude rédigée par Yasser Ghulam

De la matière à l’atome

La matière, avant de devenir un domaine incontournable de la physique et de la chimie, a d’abord été étudiée par des philosophes[1] qui, dès la Grèce antique[2], ont ouvert les portes de la réflexion, ont débattu, proposé et propagé des idées, des hypothèses ayant trait à la constitution de la matière.

Leur approche, assez novatrice et déroutante pour l’époque, était édifiée autour d’une réflexion visant à la réduction de l’échelle d’étude des matériaux[3] et d’avoir une considération atomique de la matière ; ces approches ont finalement permis d’en générer d’autres et d’élaborer de modèles assez rudimentaires mais justifiés par les connaissances de l’époque. Ils émettaient, en effet, l’hypothèse suivant laquelle il existerait de très petites « entités » ayant des caractéristiques communes notamment quant à leur insécabilité –indivisibilité –, ces entités se présentant sous la forme de grains élémentaires, qui, une fois assemblés constituent l’ensemble de la matière.

Le philosophe grecque Epicure[4] définissait déjà la matière comme un agencement d’atomes qui, une fois combinés – combinaison essentiellement due à une certaine déclinaison de leur trajectoire –, donnait à la matière sa structure si particulière. Le terme atome provient, par ailleurs, du grec ancien atomos qui signifie « ceux qui ne peut être divisé » ; il a été introduit par Leucippe[5] vers 420 avant J-C. Ses considérations étaient, comme nous pouvons l’imaginer, assez abstraites pour l’époque de référence et pouvaient être cernées uniquement par les esprits les plus créatifs. Ces idées posaient les pierres fondatrices de l’axe de l’étude menée par les physiciens au cours de l’histoire, héritiers de ces ouvertures.

Il a fallu attendre la fin du XIXéme siècle, soit prés de 2000 ans, et des progrès considérables dans les sciences et les techniques pour voir émerger un nouveau modèle descriptif de l’atome. La découverte de l’électron[6], par Joseph John Thompson, physicien anglais[7], a ainsi « contraint » le physicien a proposé un nouveau modèle ; connu aujourd’hui sous le nom de « pudding de Thompson », il consiste à présenter l’atome comme un ensemble – c’est-à-dire une substance de forme sphérique – électriquement positif regorgeant de particules négatives – appelées les électrons – dispersées dans son volume.

Cette découverte et ce modèle constituaient une première remise en cause de l’indivisibilité de l’atome suggérée par les philosophes grecs et laissaient présager des résultats allant vers une plus grande remise en cause. L’atome étant constitué lui-même de particules plus petites, il devenait, par définition, divisible et perdait ainsi son caractère de « plus petit constituant » de la matière.

Ce modèle a, par la suite, été remplacé par le modèle planétaire apparu suite aux travaux d’Ernest Rutherford[8], toujours au début du siècle (1911), physicien Néo-Zélandais considéré aujourd’hui comme l’un des pères fondateurs de la physique nucléaire. Pour la première fois, Ernest Rutherford mentionne la présence d’un noyau central. Ce noyau serait constitué de deux types de particules : (i) les protons portant une charge positive et les (ii) neutrons ayant une charge globalement neutre. Des électrons véhiculant une charge négative graviteraient autour de ce noyau. Intuitivement, la comparaison avec notre système galactique vient à l’esprit ; en effet le soleil faisant office de noyau central autour duquel gravitent les planètes de forme sphériques en adoptant une trajectoire quasi-circulaire selon une orbite déterminée.

Ce modèle, de par sa relative simplicité de son approche assez intuitive ainsi que de par sa perception très accessible, est aujourd’hui le plus célèbre ou, du moins, celui qui est reconnu par la majorité des personnes. Il est enseigné aux élèves amateurs en sciences physiques et est présenté comme le modèle descriptif « basique » de l’atome. Néanmoins, ce modèle, bien qu’un temps accepté par les physiciens, a très vite montré ses limites aux scientifiques ayant poussé leurs recherches.

Suite à cela, Niels Bohr[9], physicien danois, propose un modèle assez particulier. Ce modèle fut élaboré en 1913 sur la base du modèle planétaire de Rutherford, tel que précédemment décrit, mais y apporte des notions complémentaires. Il y a fait notamment apparaitre la notion d’énergie qui est, selon les cas, émise ou reçue des électrons. Une définition plus précise et une explication plus aboutie du mécanisme des orbitales atomiques et leur rapport aux électrons y sont aussi explicités. L’électron ne perd ou ne reçoit de l’énergie que si celui-ci se désengage d’une orbitale pour se placer dans une autre. Cette énergie est quantifiée par étage et est propre à chaque orbitale.

Ces modèles, bâtis sous l’égide de la physique classique, s’entrechoquèrent inévitablement avec la physique quantique et toutes les notions qui en découlèrent. La physique quantique fut introduite par le physicien allemand Max Planck en 1920 et « révolutionna » la vision des physiciens sur certains phénomènes ; elle permit, entre autre, de nouveaux angles d’étude[10].

Selon les règles de la physique quantique, il est, par exemple, impossible de déterminer la position instantanée exacte d’un électron – en raison de sa vitesse, proche de celle de la lumière à savoir 3.108 ms-1. Sa présence se prédit par des calculs statistiques et de probabilités de présence dans une zone donnée à un instant donné autour du noyau.

Erwin Schrödinger[11] propose, en 1926, un modèle, susceptible de dérouter les esprits non initiés mais prenant en compte ces problématiques quantiques et concilie par la même occasion les modèles précédents avec la physique moderne. La représentation la plus exacte de l’atome serait ainsi modélisée par un « nuage » électronique dispersé et étendu (ou distribué) autour du noyau. L’électron ne serait plus une « sphère » compacte mais plutôt un « brouillard » sans plus de précision. Ce modèle représentatif de l’atome, bien qu’il introduit de sérieuses difficultés mathématiques, est aujourd’hui en vigueur et est celui considéré comme le plus complet et le plus « réaliste » par la majorité de la profession scientifique. Ce modèle sert également de référence en recherche fondamentale.

De l’atome à l’énergie nucléaire

Description sommaire de l’Atome

Pour expliquer le phénomène de la radioactivité, entrant en jeu dans la production de l’énergie nucléaire et inhérent à l’atome que nous décrirons, nous prendrons, comme référence, le modèle de Rutherford. Considérons ainsi que l’atome constitué d’un noyau central et formé par un ensemble de deux particules. Ces deux particules sont les protons, portant une charge[12] positive, et les neutrons, portant une charge neutre ; les deux particules étant nommées les nucléons[13]. Autour de ce noyau gravitent des électrons qui, quant à eux, portent des charges négatives.

Il est à noter que les protons et neutrons, qui possèdent approximativement la même masse (environ 1,6.10-27 kg), sont beaucoup plus « lourds » (environ 1836 fois plus lourds) que l’électron (environ 9,1.10-31 kg). Le noyau concentre ainsi l’essentiel de la mase globale de l’atome. Pour chaque atome, le nombre d’électrons équivaut au nombre de protons ; cela permet d’assurer un équilibre au niveau des charges en lui conférant ainsi une relative stabilité[14].

Cette situation est possible grâce à la force d’attraction existante entre les protons et les électrons ; les électrons ne « s’effondrent » pas sur les protons par la présence de forces électromagnétiques caractérisées par un échange perpétuel d’énergie – de photons[15], notamment – entre ces deux particules. Au sein du noyau, la cohésion entre les protons et les neutrons est assurée par la force d’interaction forte. L’atome le plus simple est celui d’hydrogène qui est composé d’un proton lequel matérialise, à lui seul, le noyau[16] et d’un seul électron.

Chaque atome est référencé par deux nombres ; premièrement, par le nombre de nucléons (protons + neutrons) constituant son noyau : ce nombre est appelé le nombre de masse et noté A ; deuxièmement, par le nombre de protons se trouvant dans son noyau, ce nombre est appelé numéro atomique et noté Z.

Les atomes sont répertoriés dans un tableau et classifiés selon leurs nombres de protons suivant un ordre croissant[17]. On comptabilise aujourd’hui 92 éléments chimiques – numéro atomique – naturels différents. Il est à noter qu’ils existent des éléments artificiels expérimentés en laboratoire à des fins de recherche ; ces atomes de synthèse « créent » par les physiciens sont aussi répertoriés dans le tableau mais ne se retrouvent pas dans la nature.

Isotopie

Dans la nature, les atomes se différencient par leurs numéros atomiques. Il peut cependant arriver qu’au sein de la même espèce – espèces qui disposent du même nombre de protons, le nombre de nucléons varie. Ces cas particuliers sont dus à une composition excédentaire d’un ou plusieurs neutrons. Les proportions des isotopes peuvent substantiellement varier selon la localisation géographique des échantillons mesurés et les isotopes d’une même espèce peuvent avoir des comportements et des propriétés légèrement différents. Seul le prélèvement d’échantillon caractéristique permet de mesurer précisément, après analyse, le taux de présence de chaque isotope à un endroit donné.

Radioactivité   

La radioactivité est un phénomène physique connu par les physiciens depuis la fin du XIXème siècle. Il fut mis à jour par le physicien Français Henri Becquerel[18] avant même l’introduction de modèles atomiques concrets.

Cette caractéristique, propre à certains atomes, se manifeste au niveau microscopique par une instabilité au niveau de leur noyau. Ceux-ci ont tendance à se désintégrer naturellement pour former des noyaux plus stables. On entend par désintégration l’émission de particules accompagnée d’une perte d’énergie sous forme de rayonnements. Ce phénomène apparait pour des atomes dits « lourds » possédant un noyau présentant des dispositions particulières, favorables à l’instabilité, à savoir : (i) comporter un trop grand nombre de particules ; (ii) les forces de cohésions inter-particulaires peuvent être insuffisantes pour les maintenir liés dans noyau ; (iii) une trop grande différence entre le nombre de protons et de neutrons (déséquilibre manifeste entre le nombre de protons et de neutrons).

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Ce processus de désintégration peut ne pas être unique et peut se faire en étapes successives ; en effet, un noyau peut avoir à subir plusieurs désintégrations avant d’atteindre une forme stable. Ce phénomène se manifeste sous forme de différents types de rayonnement entrainant des pertes considérables d’énergie. Notons qu’une fois la forme stable atteinte, l’émission des rayonnements (donc de la perte d’énergie) s’interrompt. On recense trois types de rayonnement :

  • Rayonnement alpha : le noyau se désintègre en expulsant des particules lourdes (des protons et des neutrons) ; il change ainsi de numéro atomique et de nombre de masse. La nature chimique de l’élément s’en trouve ainsi modifiée. La particule alpha éjectée se présente sous la forme d’un noyau d’hélium appelé hélion – constitué de deux neutrons et deux protons. Cette particule, de par sa masse élevée, se déplace relativement lentement et est assez peu pénétrante – elle peut être arrêtée par une simple feuille de papier ou simplement quelques centimètres d’air.
  • Rayonnement béta (+ et -) : le noyau expulse un électron (ou un positron dans le cas de la désintégration béta +) et un antineutrino (ou neutrino pour la désintégration béta +) qui correspond à une particule très légère prédite par le physicien Enrico Fermi en 1936 et mise à jour expérimentalement dans les années 1950. Le neutrino a été introduit pour expliquer la non conservation de l’énergie des particules impliquées lors de la désintégration béta ; le neutrino contiendrait en effet l’énergie manquante constatée à la fin de l’expérience. Le rayonnement béta est plus pénétrant que le rayonnement alpha mais peut être stoppé par une feuille d’aluminium par exemple.
  • Rayonnement gamma : le noyau libère une onde électromagnétique à très grande haute fréquence en éjectant un photon, une particule dénuée de masse se définissant comme un « paquet » d’énergie plutôt qu’une particule physique conventionnelle (notion de masse indéfinissable au repos dans ce cas par exemple). Le photon est un fruit des considérations, visions et approches duales (ondulatoire et corpusculaires) de certains phénomènes, induit par la physique moderne. Il est chargé en son sein de toutes les difficultés portées par cette physique et reste encore aujourd’hui un sujet d’étude pour les physiciens et recèle de mystères non encore élucidés. Le concept de photon ou « quanta de lumière », comme il avait été nommé, a été introduit par Albert Einstein pour expliquer certains phénomènes observables mais non explicables avec les seuls outils théoriques à sa disposition à son époque.  Le rayonnement gamma est (contrairement aux rayonnements définis précédemment) très pénétrant, plusieurs dizaines de centimètres de béton ou de plomb suffisent à peine à l’arrêter.

Ces rayonnements dégagent des quantités énormes d’énergie ; cette même énergie a suscité l’intérêt des physiciens qui, au fil des expériences, ont cerné le potentiel et les opportunités qu’offraient de tels phénomènes. Ces rayonnements ne sont pas dénués de risques et présentent des risques sanitaires de par leurs effets sur les organismes. L’usage de matières radioactives à quelque fin que se soit oblige à prendre des dispositions particulières notamment en termes de transport, d’utilisation et de stockage[19]. La notion de perte d’énergie est fondamentale dans le cadre de notre étude puisqu’il s’agit là d’une des facultés utilisée dans le principe de fonctionnement des centrales nucléaires.

La demi-vie radioactive

La demi-vie radioactive ou période radioactive est le temps nécessaire à la désintégration de la moitié des noyaux radioactifs au sein d’un échantillon. Ce temps est indépendant des conditions environnantes (température, pression, humidité etc.). Il est actuellement impossible de réduire ce temps ou bien de l’allonger par quelconque moyen. La demi-vie ne dépend que de l’élément chimique radioactif (plus précisément de l’isotope) considéré. A titre d’exemple la demi-vie de l’iode 131 est d’environ 10 jours, celui de l’iode 129 de 17 millions d’années, celui de l’Uranium 238 de 4.5 milliards d’années…

Activité

L’activité radioactive est la vitesse de désintégration des noyaux d’une source radioactive. Elle se calcule en nombre de désintégration par unité de temps ; l’unité de mesure étant le Becquerel, 1 Bq correspondant ainsi à une désintégration par seconde. L’activité dépend aussi de l’espèce radioactive considérée et est fonction du nombre de noyaux non-désintégrés présents dans l’échantillon à l’instant T. Lorsque le nombre de noyau non-désintégrés d’un échantillon diminue, l’activité diminue également au cours du temps.

L’activité ne mesure pas l’impact des rayonnements radioactifs sur l’être humain et ses effets sur les organismes biologiques. Cet impact est mesuré en Sievert, prenant ainsi en compte la nature, le taux et l’énergie des rayonnements reçus. A titre purement illustratif, la dose de rayonnements à laquelle est exposée l’homme est de 2.4mS par an en moyenne.

La fission nucléaire

Certains noyaux, très lourds, en plus de leur caractère radioactif, possèdent une propriété supplémentaire assez remarquable. Ils peuvent, soit spontanément, soit sous certaines conditions (collision du noyau avec un neutron), se briser et libérer un ou plusieurs neutrons ainsi qu’une très grande quantité d’énergie. Ces noyaux radioactifs sont dits « fissiles » en opposition aux noyaux « fertiles » initialement dépourvus de cette capacité mais pouvant « devenir » fertiles en capturant un ou plusieurs neutrons. La fission a pour conséquence une destruction du noyau originel, lequel est littéralement scindé en deux ou (très rarement) en trois noyaux plus légers (relativement au noyau de départ, mais restant cependant instables donc radioactifs). Ce phénomène est appelé la fission nucléaire et ne concerne que très peu de noyaux naturels présents sur terre[20].

De l’énergie à la centrale nucléaire

Présentation

La production d’électricité d’origine nucléaire a connu un très large développement à partir de 1974, au lendemain du premier choc pétrolier, révélateur de la dépendance énergétique du pays vis-à-vis des hydrocarbures.

Nous aborderons ici et présenteront le principe général de fonctionnement des principales centrales nucléaires. Aujourd’hui, en France et dans le monde, on parle de centrales de troisième génération[21], en service depuis les années 1990. Ces réacteurs remplacent les réacteurs de deuxième génération et y apportent des évolutions complémentaires. Ils optimisent également les centrales, lesquelles sont permises par une meilleure connaissance des techniques utilisées et une certaine « maîtrise » des procédés (maturité industrielle) acquises au cours des années d’exploitations.

La possibilité de mettre en place des centrales nucléaires de quatrième génération est étudiée aujourd’hui qui, en tentant de résoudre les problématiques actuelles liées notamment à la sécurité et de durée de vie des réacteurs, proposeront et utiliseront des techniques, procédés et principes physiques différents et verront « normalement » le jour d’ici 2020. Quelques chiffres importants permettent de décrire la situation actuelle du nucléaire dans la production d’énergie :

  • Il y a aujourd’hui 437 réacteurs nucléaires en fonctionnement dans le monde installés dans 221 centrales nucléaires, réparties dans 32 pays. L’énergie nucléaire est à l’origine de 16% de l’énergie globale consommée sur terre[22] () ce qui a représenté environ 2500 Twh en 2011.
  • De par les coûts extrêmement élevés et de la grande complexité technologique des installations, seuls les pays les plus développés peuvent aujourd’hui se permettre le « luxe » de construire et exploiter des centrales de ce type. Les Etats-Unis arrivent en tête dans ce secteur et ne comptent pas moins de 104 réacteurs nucléaires répartis dans 65 centrales et participent à hauteur  31 % dans l’énergie nucléaire utilisée dans le monde pour la production d’électricité. La France se hisse au deuxième rang avec 58 réacteurs nucléaires répartis dans 19 centrales, avec une production de 423Twh en 2011. Elle participe à environ 16 % de l’énergie nucléaire utilisée pour produire de l’électricité dans le monde.

Plusieurs pays, dont l’Allemagne, ont décidé de réduire la part accordée à cette source d’énergie dans la production de leur d’énergie et de se diriger progressivement et durablement vers des solutions alternatives.

Ces centrales s’appuient sur l’énergie colossale libérée par les noyaux atomiques lors de leur désintégration. Cette énergie est ensuite exploitée et convertie en électricité par divers dispositifs intermédiaires.

Principe

« Contrôler » les réactions de fission nucléaire et utiliser l’énergie résultante pour produire de l’électricité. Du combustible nucléaire, principalement de l’Uranium[23] et du Plutonium[24] (une partie des centrales utilisent seulement de l’Uranium[25] enrichi), est utilisé pour produire de l’énergie. On utilise aujourd’hui essentiellement un composé appelé MOX[26] (Mixed Oxides) un mélange d’oxydes formé par de l’oxyde d’Uranium (UO2) et de plutonium (PuO2).

Ce composé est compacté sous forme de pastilles de l’ordre de quelques centimètres que l’on regroupe dans des barres appelés « crayons ». Ces crayons sont eux-mêmes regroupés dans des assemblages. Ces assemblages (assez complexes) en plus de contenir les crayons  renfermant le combustible nucléaire abritent des crayons spéciaux (constitués de bore ou de hafnium) faisant office de ‘poisons’ neutronique afin de pouvoir contrôler les réactions qui constituent les fameuses barres de contrôles ou barres de ‘commandes’.

Les barres de commande ont pour rôle de réguler les flux de neutrons en les absorbant. Elles sont montées sur un dispositif particulier permettant à des opérateurs de les retirer ou bien de les « plonger » dans le cœur du réacteur pour diminuer ou augmenter le flux de neutrons et en conséquence la puissance thermique produite en fonction de la situation et des besoins[27].

L’ensemble est placé dans des gaines étanches le plus souvent en acier inoxydable. Le tout est plongé dans un bain liquide (sodium ou même de l’eau) qui fait office de modérateur. Son rôle est de ralentir la progression des neutrons avant qu’ils n’atteignent les noyaux fissiles du combustible. En réduisant la vitesse des neutrons, on réduit parallèlement leur énergie cinétique[28]. De par ce stratagème, les physiciens ont cherché à optimiser le nombre de fissions dans le réacteur car les neutrons ayant une faible énergie cinétique ont une plus grande probabilité de provoquer des fissions en entrant en collision avec le combustible.

Des neutrons, émis par une source, traversent ces colonnes et vont bombarder le combustible, les noyaux d’uranium 235, et le Plutonium 239 et qui vont briser les fissiles lesquels émettent, à leur tour, des neutrons et d’énormes quantités d’énergie sous forme de rayonnement. Ce mécanisme est appelé la réaction en chaine ; les neutrons émis cassent des noyaux qui émettent à leur tour des neutrons qui bombardent d’autres noyaux qui émettent à leur tout des neutrons et ainsi de suite.

Ces réactions provoquent une augmentation significative de la température et dégagent des énormes quantités de chaleur. De l’énergie thermique est transférée à l’eau environnante qui chauffe et circule dans un premier circuit, appelé circuit primaire, qui l’achemine via un réseau de tuyaux. Cette eau, faisant office de caloporteur (transporteur véhiculant la chaleur), chauffe à son tour l’eau d’un deuxième circuit, circuit secondaire, dit de « confinement ». Il est à noter que l’eau du premier circuit peut atteindre des températures très élevées (de l’ordre de 300° C), températures auxquelles l’eau s’évapore en conditions dites « normales ». Elle est maintenue sous forme liquide par une augmentation significative de la pression au sein du circuit (environ 150 bars). Cette séparation est indispensable du fait de la contamination de l’eau du premier circuit qui se trouve irradiée[29] par la désintégration du combustible nucléaire.

La chaleur est transmise à l’eau du second circuit qui s’évapore et la vapeur produite, en se détendant[30], entraine des turbines (dispositif rotatif) reliées, elles mêmes, à un alternateur qui convertie cette énergie mécanique[31] en l’électricité. L’électricité est produite à une tension de 24 kV en sortie du turbo-alternateur et la tension est rehaussée à 400 kV par des transformateurs afin de compenser les pertes et atténuations et est ensuite acheminée via des câbles à très haute tensions sur le réseau électrique (elle sera ensuite abaissée ensuite pour alimenter les foyers). En cas d’incidents, ou pour des raisons de sécurité ou d’opérations de maintenance, l’alternateur peut être découplé du réseau qui n’est alors plus alimenté.

Deux types de configurations principales existent et sont utilisées aujourd’hui. Le cas du circuit secondaire en boucle fermée ou la vapeur eau utilisée pour actionner les turbines est recondensée par refroidissement (par des flux d’air froid) et récupéré dans un bassin collecteur pour être réinjecté dans le circuit ; le cycle est ainsi reconduit. Les tours de refroidissements particulièrement impressionnantes et imposantes observables sur certains sites, attestent de l’utilisation de cette méthode. Les cheminées ne rejettent que de la vapeur d’eau, inoffensives pour l’humain et l’environnement. La deuxième configuration, plus répandue, est celle du circuit en boucle ouverte où l’eau, bien qu’étant recondensée, n’est pas réinjectée dans le circuit mais rejetée dans une source naturelle (lac, mer, océan…). De l’eau neuve est puisée dans cette source pour assurer le renouvellement en fluide du circuit et son refroidissement. Toutes ces raisons obligent les concepteurs à choisir la proximité d’un point d’eau assez important pour permettre la mise en place de ce dispositif et ainsi d’alimenter correctement la centrale.

Tensions et réserves autour du nucléaire

Malgré les nombreuses précautions, notamment en matière de sécurité, prises par les autorités au cours de l’histoire de nombreux incidents ou accidents sont venus nuancer l’hégémonie et l’enthousiasme suscités par cette source d’énergie et ont surtout écorné son image auprès du grand public. Ces accidents ont aussi témoigné des failles existantes en terme de sécurité et des actions à prévoir pour éviter que l’histoire de ne se répète, à défauts de deux, plusieurs fois. Depuis les années 1960 plus d’une trentaine d’accidents ou d’incidents de gravités diverses ont été déclarés et répertoriés dans les centrales nucléaires du monde. Citons deux accidents qui ont marqué l’histoire et se placent aujourd’hui en tant qu’avertissements aux différents acteurs participant à l’élaboration de centrales nucléaires et manipulant des sources radioactives.

1986 : Catastrophe de Tchernobyl

La catastrophe de Tchernobyl est de loin la plus dramatique dans l’histoire du nucléaire civil. S’étant produite en Ukraine le 26 Avril 1986 elle restera sans doute très longtemps graver dans la mémoire collective. La gravité de l’accident couplée à une gestion approximative de l’incident et la lenteur de la réaction des autorités face la situation, et l’apparente inexpérience voire même l’amateurisme des équipes de secours dépêchées sur place ont  grandement alimenté la polémique et ont suscité des débats.

Un climat de psychose s’est aussitôt installée au sein des populations qui, non initiées et surtout non préparées à  de tels évènements, ont dû affronter l’incapacité des responsables eux-mêmes dépassés par l’ampleur de la catastrophe. Plus d’une centaine de versions différentes, incluant des scénarios et conséquences parfois surréalistes, ont été évoquées témoignant du flou et de la complexité de la situation.

Résumé des faits

Le réacteur de Tchernobyl appartenait à la filière RBMK développée dans l’ancienne Union Soviétique et les pays d’Europe de l’Est. Il s’agit de réacteurs à uranium enrichi modérés au graphite et refroidis à l’eau bouillante. Cette technique présente « naturellement » des faiblesses dues, en particulier, à des instabilités de fonctionnement. Ces instabilités ne sont cependant pas la cause première de la catastrophe.

Le 26 avril 1986 et au cours d’une très paradoxale et ironique expérience d’amélioration de sécurité et à la suite de plusieurs erreurs de jugement, un réacteur de la centrale de Tchernobyl s’emballe et explose. Les expérimentateurs avaient voulu profiter d’un arrêt du réacteur pour étudier le refroidissement du cœur dans l’éventualité d’un non démarrage des circuits de secours – expérience qui n’était pas prévue initialement mais tentée à l’occasion. L’équipe a fait fonctionner le réacteur à des régimes interdits par les consignes d’exploitation et ont supprimé les dispositifs de sécurité permettant de l’arrêter.  Il est à noter que six erreurs humaines ont été commises et ont déclenché l’engrenage engendrant la catastrophe. Une violente explosion souleva la dalle en béton couvrant le réacteur. Puis la grande quantité de graphite qui servait à ralentir les neutrons prit feu. Les pompiers, sans protection particulière, équipés de simples lances d’eau arrivèrent sur place et furent les premiers à combattre l’incendie et à faire face aux conditions extrêmes incluant des chaleurs brulantes et une radioactivité mortelle.

Plusieurs jours de combat contre le feu ont été nécessaires pour parvenir à bout de l’incendie. Du cœur du réacteur, éventré et laissé à nu, s’échappèrent de grandes quantités de matières radioactives. Par la suite des centaines milliers de « liquidateurs » – civils et militaires – locaux ou issus des pays voisins ont été « envoyés au front » et se succédèrent pour décontaminer le site en évacuant, au péril de leurs vies, les milliers de tonnes de débris de gravats irradiés et hautement radioactifs.

L’absence d’une enceinte de sécurité externe a aggravé l’impact de l’accident. Environ 4 % des substances radioactives contenues dans le réacteur furent rejetées dans l’atmosphère, dont 50 % du césium et de l’iode et 100 % du xénon (dont la propagation fut facilitée par le fait qu’il soit initialement à l’état gazeux). Le nuage radioactif s’éleva à 10 000 mètres d’altitude et, porté par les vents, il s’est  étalé sur des millions de kilomètres carrés, vers l’ouest et le nord, recouvrant la quasi-totalité de l’Europe.

Un sarcophage bétonné épais de plusieurs mètres fut construit et entoure aujourd’hui le réacteur. Ce « bouclier » initialement prévue pour durer 30 ans, se fragilise et montre aujourd’hui des signes de faiblesse. Il a notamment perdu son étanchéité à plusieurs endroits. Un projet baptisé « Arche de Tchernobyl » prévoit la construction d’une enceinte de confinement plus fiable. Initialement prévue pour 2012, elle ne verra pas le jour avant 2015, son édification représentant un coût total estimé à prés de 900 millions d’euros.

Conséquences sanitaires

Les retombées radioactives au sol entraînent la contamination des végétaux (plantes cultivées, herbe, forêts) et, par conséquent, donnent des denrées alimentaires produites sur des territoires contaminées. Les années suivantes, sur ces mêmes territoires, le césium persistant dans les sols continue de contaminer certains produits agricoles et naturels. En France, une contamination temporaire de certaines productions végétales et animales est observée en 1986. Elle est encore aujourd’hui mesurable dans les sols et occasionnellement dans certains produits naturels comme les champignons de forêt.

L’exposition aux substances radioactives et aux rayonnements émis par l’accident a été importante pour le personnel, les intervenants sur le site accidenté et les populations vivant sur les territoires les plus touchés. Les conséquences sanitaires provoquées par cette exposition sont difficiles à évaluer avec certitude. Le nombre de cancers de la thyroïde a été multiplié par cent chez les enfants au sud de la Biélorussie, cette épidémie étant clairement liée à l’exposition à l’iode 131.

En ce qui concerne la mortalité due à l’accident, le bilan reste aujourd’hui incertain, au-delà des victimes dénombrées immédiatement après l’accident. La grande dispersion des estimations publiées reflète l’incertitude élevée qui caractérise ce sujet. Pour les liquidateurs et les personnes directement exposées aux fortes radiations les chiffres fluctuent, les organisations parlent de 10 à 35.000 morts et de plus de 70.000 malades ou handicapés.

En France, les doses reçues par la population en 1986 sont très faibles. C’est, plus particulièrement, la thyroïde qui est exposée, par ingestion d’iode 131, présent dans les aliments au cours des trois mois qui suivent la date de l’accident. Ce sont les enfants qui vivent dans l’Est de la France, en 1986, qui en reçoivent les doses les plus élevées.

2011 : Accident Nucléaire de Fukushima

L’accident survenu à la centrale nucléaire de Fukushima le 11 mars 2011, suite au séisme suivi d’un tsunami ayant frappé le Japon, a relancé le débat sur la dangerosité des exploitations nucléaires. Cet accident classé, lui aussi, tout comme celui de Tchernobyl, sur l’échelon 7 en terme de gravité et de criticité, a marqué les esprits. La médiatisation de l’événement, généralement accompagnée d’images impressionnantes et largement relayées par les informations du monde entier, et l’importance des dégâts occasionnées ont totalement abasourdi l’opinion publique. L’opacité des autorités a encore une fois été critiquée et la divergence des conclusions des experts, parfois contradictoires, ont agacé la population qui, loin d’être rassurée, a cultivé un sentiment de malaise et une frayeur non dissimulée.

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Source : Google Images – Carte de radiation suite à la catastrophe de Fukushima

Récit des faits

Le 11 mars 2011 un séisme de magnitude 9 sur l’échelle de Richter remue la côte Est, ouverte sur l’océan pacifique, du Japon. Il s’en suit un tsunami inondant en profondeur et ravageant les côtes de la façade est de l’ile.

Les conséquences sanitaires et économiques sont catastrophiques avec des dizaines de milliers de morts et disparus et des centaines de milliers de personnes déplacées. Pour ne rien arranger à ces évènements dramatiques, la centrale nucléaire de Fukushima située au sud-ouest de l’épicentre localisé du séisme, est aussi durement touchée.

Ci-dessous est présenté un récit succinct présentant l’enchainement des évènements décrivant, comme nous le verrons, une situation critique dans un climat d’urgence généralisée.

  • Le 11 mars les détecteurs sismiques de la centrale relèvent une secousse de 9.0 sur l’échelle de Richter et déclenchent, instantanément, la procédure d’arrêt automatique des six réacteurs que compte la centrale. Malgré l’arrêt des réacteurs le combustible dégage toujours de la chaleur.
  • Une coupure d’électricité due au tremblement de terre frappe la centrale, le système d’alimentation de secours prend le relai et assure, par des générateurs,  la distribution d’électricité dans la centrale.
  • Le Tsunami atteint la centrale et inonde les générateurs de secours qui ne sont plus opérationnels. La centrale cesse d’être alimenter en électricité, les réacteurs ne sont plus refroidis, la température grimpe, l’eau située à l’intérieur du réacteur entre en ébullition et s’évapore. Le combustible, privé de sa « couverture » d’eau, se retrouve à l’air libre et est sujet à des réactions chimiques, produisant notamment de l’hydrogène. La pression au sein de l’enceinte augmente dangereusement.

Une décision délicate et controversée est ensuite prise par les opérateurs et responsables de la centrale. L’idée consiste à diminuer la pression en laissant échapper les gazes et vapeurs radioactifs vers l’extérieur.

  • Le 12 mars, une première explosion souffle le toit du réacteur n°1, le 13 mars c’est au tour du réacteur 3 de subir le même sort.
  • Le 15 mars c’est le réacteur 2 qui subit une explosion endommageant sérieusement  l’enceinte de confinement. De la matière radioactive s’échappe alors du bâtiment et se propage à l’air libre. Cette brèche sera colmatée début avril et le réacteur emprisonné d’un « manteau » étanche l’encerclant et empêchant la diffusion de radiations supplémentaires.
  • Toujours le 15 avril, c’est au tour du réacteur 4 de subir des dommages, l’eau des piscines de désactivation (destinée à neutraliser les effets du combustible) contenant du combustible usagé, ’déchets’ hautement radioactifs entre à son tour en ébullition et s’évapore. De la matière radioactive se retrouve à l’air libre et provoque (de par la chaleur extrême dégagée) l’incendie du réacteur 4.
  •  Les autorités tentent, durant plusieurs jours, de refroidir les cœurs en y injectant de l’eau et des composées chimiques modérateurs. Ces tentatives, bien qu’impliquant des centaines de personnes et des moyens colossaux (hélicoptère de l’armée, matériel anti incendie…), se révèlent inefficaces et n’empêche pas la fusion (partielle) des réacteurs 1,2 et 3 et le rejet d’énormes quantités de radiation vers l’extérieur.
  • Plusieurs éléments radioactifs, tels que l’iode 131 ou le césium 137, hautement toxiques, sont détectés à proximité du site et contamine l’air et le sol environnant. Des taux de radiation anormalement élevés (parfois 500 fois plus que la normale tolérée) sont relevés et l’eau des sous-sols de la centrale est aussi déclarée polluée.
  • L’eau, utilisée pour refroidir le réacteur, est devenue radioactive et a été déversée directement dans l’océan situé non loin de la centrale. Cette eau a été évacuée en urgence faute de place et de temps, directement dans l’océan. Les pêcheurs et les pays voisins on fait part de leur inquiétude aux autorités Japonaises afin d’obtenir des informations précises et fiables et une totale transparence sur les risques réels encourus par les populations. Certains pays n’ont d’ailleurs pas hésité à rapidement émettre des restrictions sur les produits alimentaires issus des zones à risques et en interdire l’import.

Ces catastrophes, traumatisantes pour la population sont là pour rappeler la dangerosité et surtout l’imprévisibilité des accidents nucléaires et mettre en garde les gouvernements dans les abus et à la confiance absolue que certains place dans de telle sources.  Pour prévenir les risques d’accidents et contrôler les activités impliquant l’utilisation de matériaux radioactifs, des groupes de travails et d’inspection ont vu le jour.

Divers organisme mandatés, soit par les états (la DGRSN – Direction Générale de la Radioprotection et de la Sûreté Nucléaire, ou ASN l’ Autorité de Sureté Nucléaire, en France) ou soit au niveau international (AIEA, Agence Internationale de l’Energie Atomique), définissent et se chargent de faire respecter les normes et règlementations mises en place. Ils effectuent des contrôles réguliers et participent régulièrement à des campagnes de sensibilisation  et aux débats liés à la sécurité des installations et du personnel y travaillant.

Outre ces risques d’accidents, le problème du combustible usagé demeure sans solution et fait l’objet, périodiquement, d’actualité çà et là. Nous avons tous bon souvenir des militants écologistes attachés aux rails et affrontant les forces de l’ordre en tentant d’empêchée l’avancée des convois de déchets nucléaires. Ces déchets (combustibles irradiés, divers outils usagers, vêtements de protection irradiés…) dont certains ont des demi-vies radioactive très longue (plusieurs milliard d’années pour certains) potentiellement dangereux, sur une période beaucoup plus longue, suivent des parcours réglementés par des protocoles stricts.  Le sort réservé à ces déchets est l’objet de la troisième partie rédigée par un éminent spécialiste de la matière, Moustapha Coulibaly.

* Yasser Ghulam est ingénieur. Il contribue fréquemment dans les colonnes de Cultures & Croyances au sein de la rubrique Ingénierie. Il est également un des fondateurs et modérateurs du site de Cultures & Croyances. Il est à noter qu’ «Initiation appliquée à l’énergie nucléaire et la radioactivité » est la deuxième partie d’une longue étude dédiée à la radioactivité et ses impacts, laquelle fera l’objet de deux autres parties dans les semaines à venir au sein des colonnes de Cultures & Croyances.

Pour citer l’étude :

Yasser Ghulam, « Initiation appliquée à l’énergie nucléaire et la radioactivitée », in : www.cultures-et-croyances, rubrique Ingénierie – Science, janvier 2013.


[1] Lesquels philosophes ont généralement fait valoir leur caractère polymathe en s’intéressent à une multitude de domaines.

[2] Leucippe vers 420 avant J-C et son disciple Démocrite vers 460 avant J-C.

[3] Elle visait à la réduire à une échelle microscopique.

[4] 341 – 270 avant J-C.

[5] Leucippe (en grec ancien Λεύκιππος / Leúkippos) est un philosophe présocratique grec (v. 460370 av. J.-C.), considéré comme inventeur de l’atomisme philosophique même si Anaxagore a élaboré une théorie similaire. Actif vers 440 av. J.-C., maître de Démocrite (actif vers 433 av. J.-C.).Peu de choses de sa vie sont connues. Selon la tradition, Leucippe est né à Milet vers 460 av. J.-C. (comme Démocrite aussi peut-être). Selon d’autres sources (Diogène Laërce, IX, 30), à Élée ; enfin, on le fait parfois citoyen d’Abdère. Il aurait été le contemporain d’Empédocle et Anaxagore, et l’élève de Zénon d’Élée ou même de Parménide. Pour certains (dont Erich Frank, 1923), Leucippe était sous influence pythagoricienne (Source : Wikipédia).

[6] En 1894

[7] 1856 – 1940

[8] 1971–1937

[9] 1885-1962

[10] L’introduction par Bohr de la notion de quantification de l’énergie présupposait d’ailleurs déjà cette direction ‘logique’

[11] 1881-1961

[12]Charge : propriété de la matière qui se caractérise par la présence de forces d’attraction et de répulsion. A notre échelle, l’exemple de l’aimant schématise parfaitement ce phénomène, les pôles opposés nord et sud (ou de manière plus courante, plus et moins) s’attirent, tandis que deux mêmes pôles (nord-nord ou sud-sud)  se repoussent.

[13] ce terme, tout comme nucléaire d’ailleurs, vient du latin nucleus signifiant noyau.

[14] En réalité seule une catégorie d’atome est ‘véritablement’ stable à l’état libre, il s’agit de la famille des gaz rares ou gaz ‘nobles’ qui possède une structure particulière vers laquelle tendent  les autres atomes pour acquérir la stabilité.  Pour parvenir à cet état les atomes forment un ensemble appelé molécule qui  constitue en un agencement spécifique et  particulier d’atomes. Ce processus est en fait le phénomène observable lors de l’ensemble des réactions chimiques qui ne voient (au niveau microscopique) se former en leur sein, qu’un agencement particulier d’atomes qui tendent à copier l’architecture ‘stable’ des gazs rares. (Voir règles du duet et de l’octet pour plus de détails).

[15] Voir définition plus précise  dans la partie Radioactivité – Radioactivité gamma.

[16] Il n’y a pas de neutron dans ce cas présent.

[17] Il s’agit du Tableau de classification périodique des éléments de Mendeleïev.

[18] 1852-1908

[19] Nous reviendrons sur cet aspect dans la dernière partie consacrée aux effets de la radioactivité sur le corps humain.

[20] En réalité dans la nature, seulement un isotope présente originellement cette caractéristique, il s’agit de l’Uranium 235.

[21] Principalement des Réacteurs à Eau sous Pressions (REP) ou de Réacteurs à Eau Bouillante (REB).

[22] le charbon et le gaz avec respectivement  environ 40 % et 20 % arrivant en tête.

[23] L’Uranium est un élément chimique assez abondant sur terre à l’état naturel. Sa teneur est d’environ 3 g/tonne d’écorce terrestre. On en retrouve aussi dans l’eau de mer à raison de 3mg par m3. Les principaux producteurs d’uranium sont aujourd’hui l’Australie, le Kazakhstan, le  Canada et la Russie qui fournissent à eux seuls 60% de l’Uranium consommé sur Terre.

[24] Le Plutonium n’est présent à l’état nature que sous forme de ‘traces, mais est produit en quantité significatives dans les réacteurs nucléaires par capture neutronique des noyaux d’Uranium, en absorbant 1 neutron, le noyau d’Uranium 238 se transmute (après étapes successives) en celui de Plutonium 239. Le plutonium possède 94 protons, est radioactif et possède deux isotopes fissiles (Plutonium 239 et 241), et est, associé à l’uranium, utilisé en guise de combustible nucléaire.

[25] L’isotope d’uranium fissile (seul isotope fissile à l’état naturel) participe, en moyenne, à hauteur de seulement 0.7 à 0.9%  de l’uranium présent dans les échantillons collectés, l’uranium 238, radioactif mais non fissile, constitue le reste. Afin d’augmenter la ‘teneur’ en Uranium 235, le combustible est travaillé et conditionné dans des usines spécialisées. Le taux en isotopes d’Uranium 235 fissile est ainsi ramené ‘enrichi’ à 3 % voir 5 % dans certains cas.

[26] Par opposition, l’Uranium utilisé dans le composé MOX est lui appauvri, on réduit la teneur en isotopes 235 en l’abaissant de 0.4% à 0.2%. Cette réduction est compensée par la présence de plutonium 239. Cette ‘stratégie’ vise à économiser l’isotope 235 qui de par sa ‘rareté’ introduit des difficultés évidentes de récupération.

[27] Les conditions peuvent obliger une augmentation de la puissance produite, par exemple en hiver, en soirée lorsqu’une grande majorité de foyers allume leurs appareils électriques quasi simultanément (lumière, télévision, chauffage électrique,…), la demande en électricité croit énormément. La centrale se doit de leur fournir cette énergie elle augmente pour cela ses capacités de production, les opérateurs remontes les barres der régulation et les réactions de fission au sein du cœur se font en plus grand nombre libérant plus d’énergie. Aux périodes creuses, par contre, la demande n’est pas aussi forte et les barres sont abaissées, le nombre de fission diminue ainsi que l’énergie produite.   

[28] Energie liée au mouvement des corps et proportionnel à sa masse multiplié par sa vitesse au carré.

[29] L’eau du circuit primaire n’est pas censée être contaminée, les gaines de protection  assure l’étanchéité des assemblages, mais compte tenue des agressions dont elles font l’objet (température élevées, dilatation dû à l’émissions de gaz,…), les gaines peuvent parfois présenter des brèches ou bien même rompre et de la matière radioactive peut s’en échapper et aller contaminer l’eau du circuit primaire.

[30] Ce phénomène physique est comparable à celui de la cocotte-minute, l’eau situé à l’intérieur de l’autocuiseur chauffe, s’évapore et exerce une certaine pression faisant tourner la soupape de sécurité.

[31] Voir le principe de production de courant électrique par l’induction électromagnétique.

[NOTE] Les éléments de la dernière partie sur les tensions autour du nucléaire ont été tirés de : (i) www.laradioactivite.com (ii) www.irsn.fr et (iii) www.lemonde.fr.

22 Responses to ETUDE – Initiation appliquée à l’énergie nucléaire et la radioactivité [Partie 2/4 d’une étude consacrée à la radioactivité]

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