L’élément uranium

Les philosophes grecs pensaient que la matière était composée de minuscules particules indivisibles. C’est seulement au XIXe siècle que celles‑ci, appelées atomes (d’atomos = mot du grec ancien signifiant indivisible), sont devenues une hypothèse scientifique, contestée à l’époque. Et des scientifiques ont découvert pour la première fois en 1938 qu’il était parfaitement possible de désintégrer bon nombre d’atomes et que la désintégration (baptisée plus tard fission, voir ci-dessous) d’atomes lourds libérait énormément d’énergie. Avec l’atome d’uranium, le processus de désintégration peut être contrôlé de façon telle que les atomes d’uranium se désintégrant provoquent la désintégration d’autres atomes d’uranium, qui font de même à leur tour dans une réaction en chaîne. Ce phénomène naturel est le principe de physique sur lequel repose la production de chaleur et donc d’électricité dans les centrales nucléaires.

La découverte de l’uranium

C’est le chimiste allemand Martin Heinrich Klapproth qui a découvert l’uranium en 1789. Il a donné à ce nouvel élément le nom de la planète Uranus, découverte peu auparavant. Dès le XIXe siècle, l’uranium a été extrait dans des mines et utilisé pour teinter des objets en verre et de la vaisselle. En 1896, le physicien français Henri Becquerel a ensuite découvert que la désintégration naturelle de l’uranium émettait des rayonnements. L’unité d’activité d’une substance radioactive a donc été baptisée becquerel.

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En 1938, les chimistes allemands Otto Hahn et Fritz Strassmann ont découvert, avec l’aide de la physicienne austro‑allemande Lise Meitner et de son neveu Otto Frisch, qu’il était possible de désintégrer de façon ciblée l’uranium. Celui‑ci peut être divisé en deux ou plusieurs, ce qui libère en revanche une quantité d’énergie considérable sous la forme de chaleur et de rayonnement. Meitner et Frisch ont baptisé ce nouveau phénomène «fission nucléaire».

Un métal lourd à l’éclat argenté

L’uranium pur est un métal lourd, mou et à l’éclat argenté. C’est le plus lourd des éléments naturels, présent en abondance sur Terre. Avec 18,97 grammes par millilitre, il est environ 19 fois plus lourd que l’eau à zéro degré, et presque deux fois plus lourd que le plomb (11,3 g/ml). Il occupe la 92e place dans le tableau périodique des éléments. Son noyau atomique contient donc 92 particules chargées positivement (protons). Le noyau est entouré par une enveloppe de 92 électrons chargés négativement.

Comme d’autres métaux lourds – par exemple le plomb – l’uranium est toxique s’il est absorbé par l’organisme en grandes quantités. Les faibles quantités sont quant à elles sans risque pour la santé humaine et pour l’environnement. Depuis toujours, en consommant nourriture et eau potable, hommes et animaux absorbent des substances radioactives telles que l’uranium ou le potassium 40. Nous sommes donc tous légèrement radioactifs.

Uranium facilement et difficilement fissible

Le noyau atomique de l’uranium contient, outre les 92 protons, un nombre variable de particules électriquement neutres, les neutrons. Différents types d’uranium, appelés isotopes, se forment en fonction du nombre de neutrons dans le noyau. Certains sont plutôt stables, d’autres plus facilement fissibles et se prêtent donc mieux à une utilisation dans un réacteur nucléaire.

Voici la composition des noyaux atomiques des principaux isotopes de l’uranium présents dans la nature, avec leur nombre variable de neutrons:

• Uranium 234 (92 protons + 142 neutrons = 234 particules nucléaires)
• Uranium 235 (92 protons + 143 neutrons = 235 particules nucléaires)
• Uranium 238 (92 protons + 146 neutrons = 238 particules nucléaires)

Plus de 99 pour cent de l’uranium naturel est composé d’uranium 238, difficilement fissible. L’uranium 235 ne représente que 0,7 pour cent environ de l’uranium naturel, mais il est facilement fissible et donc utilisé – en plus forte concentration ou avec un taux d’enrichissement supérieur – pour l’exploitation des centrales nucléaires actuelles. Il y a seulement quelques traces d’uranium 234 dans la nature.

L’uranium 238 peut se transformer par capture de neutrons en uranium 239, qui se mue rapidement en neptunium 239, lequel se transforme lui-même ensuite en plutonium 239. Le combustible usagé des centrales nucléaires contient donc une faible proportion de plutonium. Le plutonium 239 est également facilement fissible. Cependant, des réacteurs appelés surrégénérateurs, sont nécessaires pour produire de grandes quantités d’énergie à partir de l’uranium 238.

Les centrales nucléaires naturelles

Il y a environ deux milliards d’années, la part de l’uranium 235, facilement fissible, était encore plus élevée qu’aujourd’hui. Cela permettait par endroits, dans du minerai à forte teneur en uranium, la formation de réactions en chaînes qui s’auto‑entretenaient. C’est ainsi que sont apparus, dans la région d’Oklo, au Gabon (Afrique centrale), plus d’une douzaine de réacteurs nucléaires naturels qui ont libéré de l’énergie pendant des millénaires. Ces réactions naturelles fonctionnaient selon le même principe que les réacteurs modernes.

Mais ces substances radioactives à la durée de vie particulièrement longue (que l’on pourrait presque qualifier de déchets des réacteurs naturels), apparues il y a plusieurs millions d’années sous la forme de résidus des réacteurs naturels d’Oklo, sont restées solidement emprisonnées dans la roche et n’ont jamais pénétré dans la biosphère.Et ce bien qu’elles n’aient été ni enfermés dans des conteneurs ni acheminées jusqu’à un dépôt en couches géologiques profondes. La géologie naturelle offrait une protection suffisante pour l’environnement.

L’intérieur de la Terre est elle aussi une immense centrale nucléaire. D’innombrables désintégrations radioactives libèrent de l’énergie et agissent quasiment comme un chauffage par le sol pour la planète. La plus grande partie de la chaleur terrestre provient de la désintégration radioactive. La géothermie est donc aussi une forme d’énergie nucléaire.

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Réaction en chaîne contrôlée

Le réacteur d’une centrale nucléaire est construit de façon telle que la fission nucléaire ne puisse s’y dérouler que dans des conditions précises:

Un noyau atomique d’uranium 235 capture un neutron. La présence de ce neutron supplémentaire provoque l’instabilité du noyau qui se désintègre. Deux, parfois aussi trois petits noyaux atomiques – appelés produits de fission – se forment alors. En même temps, il y a libération d’énergie et de deux à trois neutrons. De leur côté, ceux-ci peuvent être capturés par d’autres atomes d’uranium 235, qui se désintègrent à leur tour par la suite. Cependant, les neutrons éjectés à grande vitesse du noyau de l’uranium doivent être puissamment freinés auparavant. Seuls des neutrons lents, dits modérés, peuvent déclencher une fission.

Dans une centrale nucléaire, cette réaction en chaîne est contrôlée: lorsque le réacteur fonctionne à puissance constante, c’est un neutron exactement qui déclenche après chaque fission une nouvelle fission. Les neutrons excédentaires sont capturés par un autre atome ou s’échappent du combustible nucléaire.

Dans les réacteurs à eau légère utilisés en Suisse, l’eau freine les neutrons dans le réacteur et permet ainsi de maintenir la réaction en chaîne. L’eau sert donc à la fois de modérateur et d’agent de refroidissement. Si l’eau manque ou devient trop chaude, ce qui provoque la formation d’un grand nombre de bulles de vapeur, les neutrons restent trop rapides et ne peuvent déclencher aucune autre fission nucléaire. La réaction en chaîne est interrompue, la fourniture d’énergie par le réacteur diminue. C’est là une caractéristique de sécurité très importante des réacteurs à eau légère.

Le réacteur est entièrement arrêté par l’immersion des barres de commande, qui absorbent des neutrons libres. Lai chaleur de désintégration, qui continue à être générée par la désintégration spontanée des produits de fission, doit encore être dissipée pendant de longues années. Cela veut dire qu’il est nécessaire que le combustible nucléaire soit refroidi en permanence pour que le noyau du réacteur ne subisse des dommages après l’arrêt.