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Vous avez certainement entendu parler des bombes nucléaires (ou atomiques) - un exemple de l'utilisation militaire de l'énergie nucléaire. Une bombe nucléaire est un dispositif impliquant une réaction en chaîne incontrôlée des matières fissiles. Ce processus est extrêmement rapide, de sorte que l'énergie s'accumule et la température devient très élevée, atteignant des dizaines de millions de degrés.

Little Boy (Source: U.S. National Archives, RG 77-AEC, déclassifiée en 1960).

La pression à l'intérieur de la matière fissile à une telle température devient énorme et le dispositif explose. Pour ce faire, la bombe doit contenir une masse critique (même une masse supercritique) de matières fissiles. Toutefois, cela ne signifie pas que tout le matériau fissionne. L'explosion se produit avant que tous les noyaux 235U aient la possibilité de subir une fission - dans la bombe larguée sur Hiroshima, par exemple, seulement 2% environ des noyaux d'uranium a subi la fission. C'était déjà suffisant pour produire d'énormes destructions.

La puissance meurtrière de ces bombes soulève d'importantes questions éthiques concernant la recherche et le développement de telles armes.

La possibilité que des terroristes puissent acquérir et utiliser des armes nucléaires est un défi urgent et potentiellement catastrophique pour la sécurité mondiale. En Avril 2010, le Sommet sur la sécurité nucléaire à Washington DC, a mis l'accent sur la menace du terrorisme nucléaire et les participants ont conclu des ententes concrètes comme l'augmentation de la sécurité des matières nucléaires et la réduction de la disponibilité de plutonium et d'uranium hautement enrichi.

L'énergie nucléaire peut être utilisée dans de très petits appareils, comme les batteries. En explorant les planètes et l'espace, il faut avoir des batteries durables et efficaces (en fait, les stimulateurs utilisés par les personnes souffrant de maladies cardiaques graves sont gérés aussi par des batteries). Des sources d'énergie radioactives ont été utilisées à cette fin depuis 1961.

Il existe deux types de ces sources d'énergie:

1) les générateurs thermoioniques à radioisotopes dans lequel la chaleur nucléaire est utilisée pour créer une différence de potentiel électrique entre deux électrodes métalliques, et

2) les RTG - générateurs thermoélectriques radio-isotopiques - dans lequel la chaleur de désintégration du 238Pu (0.56 W/g) (0,56 W / g), par exemple, est utilisé pour le chauffage d'une jonction de semi-conducteur de type pn (thermocouple)

Les sondes spatiales Voyager, la mission Galileo vers Jupiter, et la mission Cassini vers Saturne, toutes sont alimentées par RTG. Les rovers Spirit et Opportunity sur Mars ont utilisé des panneaux solaires pour l'électricité et des RTG pour la chaleur. Le rover Curiosity utilise des RTG pour la chaleur et l'électricité puisque les panneaux solaires seuls ne sont pas en mesure de fournir suffisamment d'électricité.

Les petits réacteurs nucléaires utilisant des convertisseurs thermoélectriques ou thermo-ioniques ont été construits et sont en cours de développement pour diverses applications dans les véhicules spatiaux, par exemple pour leur propulsion.

L'utilisation de combustible nucléaire dans un réacteur nucléaire résulte en une explosion d'énergie qui est près de 100 millions (108) ois supérieure à celle résultant de l'utilisation d'une quantité équivalente de réactifs chimiques!

Deux systèmes de propulsion utilisant des réacteurs nucléaires ont été mis au point à ce jour. Le premier, appelé système de propulsion nucléaire thermique (en bref NTR pour Nuclear Thermal Rockets), consiste à chauffer un propulseur à hydrogène qui est stocké à basse température sous forme liquide. Le gaz d'hydrogène à environ 2500 ° C est ensuite expulsé à travers une buse pour obtenir la poussée.
Le second système, la propulsion nucléaire électrique (NEP pour Nuclear Electric Propulsion), consiste à convertir l'énergie nucléaire en électricité, et puis à utiliser cette énergie électrique pour alimenter un dispositif d'électro-aimants approprié qui accélère les ions à très haute vitesse. Les ions accélérés, en passant par un neutraliseur dans la buse, produisent un jet d'atomes neutres qui quittent le moteur et produisent la poussée. Ce type de propulsion a été utilisé dans de nombreuses missions orbitales, principalement soviétiques. Il est certain, en particulier dans des missions de longue durée, que la propulsion nucléaire est avantageuse par rapport à la propulsion chimique.

L'utilisation de l'énergie nucléaire dans les sous-marins et les avions a été considérée presque dès le début de l'histoire des réacteurs nucléaires. Le risque lié à l'utilisation de réacteurs nucléaires en avion n'a pas permis un réel développement de l'idée dans les avions ni civils ni militaires, bien que l'idée a été développée, utilisée et est encore en cours de développement dans la propulsion des engins spatiaux. Cependant, la propulsion nucléaire est utilisée avec beaucoup de succès dans les navires de guerre et civils modernes.

Le premier sous-marin à propulsion nucléaire américain "Nautilus", dont la construction a commencé dès 1946, et qui a été lancé en 1954, a été le premier qui a traversé le Pôle Nord sous la calotte glaciaire de l'Arctique le 23 Juillet, 1958. Le brise-glace nucléaire "Arktica" de l’ex Union Soviétique a été le premier navire de surface qui a atteint le pôle Nord le 17 Août 1977. Les Etats-Unis ont également construits des porte-avions. Le premier, l'USS Enterprise, a été lancé en 1960. Le premier cargo, NS Savannah, a été lancé aux Etats-Unis en 1959, le Japon a lancé le navire marchand Mutsu en 1962.

Les réacteurs utilisés dans les applications navales sont de type REP. Tous les sous-marins russes et tous les navires de surface sont alimentés par deux réacteurs. Par conséquent, il est important que ces réacteurs soient le plus compact possible. Initialement, cela a été réalisé à l'aide de combustibles nucléaires hautement enrichi, avec des concentrations de 90% de 235U. Ces derniers temps, cependant, des enrichissements de l'ordre de 20-25% dans les cœurs des réacteurs américains et environ 50% dans les russes sont plus habituels.

A première vue, il semble naturel de vouloir que les voitures électriques fonctionnent grâce à l'énergie nucléaire. En particulier, le moteur pourrait fonctionner pendant de nombreuses années sans avoir besoin de changer les éléments combustibles. Cependant, la source d'énergie - un petit réacteur nucléaire en fait – produirait des neutrons qui sont un rayonnement ionisant très pénétrant. Ce rayonnement serait dommageable pour tout le monde dans la voiture, et même pour les piétons autour de la voiture. Afin de ne pas exposer le conducteur et les passagers à un rayonnement de neutrons, le bouclier biologique du noyau devrait être très volumineux et très lourd - quelque chose qui ne correspond pas vraiment avec notre idée actuelle d'une voiture de tourisme utile.

Cependant, même si l'on réussi à construire une voiture sûre en utilisant par exemple des convertisseurs thermoélectriques efficaces, il y aurait toujours le problème du contrôle des matières radioactives.

La Ford Nucleon était une maquette de concept-car développée par Ford Motor Company en 1958 pour montrer à quoi une voiture à propulsion nucléaire pourrait ressembler. La conception ne comprenait pas un moteur à combustion interne ; le véhicule devait être plutôt alimenté par un petit réacteur nucléaire à l'arrière du véhicule, basé sur l'hypothèse que ce serait un jour possible sur la base de tailles réduites. La voiture aurait utilisé une machine à vapeur alimentée par la fission de l'uranium similaire à la façon des sous-marins nucléaires.

L'hydrogène joue un rôle croissant dans la chimie, l'agriculture (production d'engrais azotés), l'industrie pétrolière, et comme une source potentielle d'énergie, c'est à dire en tant que combustible. On s'attendrait à ce que, parmi le grand nombre d'applications possibles de l’hydrogène, son utilisation dans les piles à combustible serait devenue populaire. À la lumière de l'intérêt croissant pour l'hydrogène, selon certaines estimations, l'énergie nécessaire à sa production pourrait bientôt être aussi grande que la production actuelle de l'énergie électrique.

On est donc très intéressé par les sources d'énergie efficaces qui peuvent produire de l'hydrogène, et ici l'utilisation de réacteurs nucléaires pourrait être d'une aide vitale. Les réacteurs peuvent produire de l'énergie électrique pour effectuer l'électrolyse de l'eau. L'énergie thermique nucléaire peut également être utilisée pour la production d'hydrogène à partir de gaz naturel et, dans des procédés thermochimiques, à partir de l'eau. Contrairement au procédé chimique dans lequel la vapeur reforme du gaz naturel, les réactions thermochimiques ont l'avantage de ne pas produire de dioxyde de carbone. Etant donné que dans les deux cas, des températures relativement élevées sont nécessaires (1000-1300K), les réacteurs à haute température sont susceptibles d'être utilisés à cette fin. Tout en travaillant comme des centrales nucléaires habituelles et en fournissant de l'électricité au réseau pendant la journée, ces réacteurs pourraient produire de l'hydrogène au cours de la nuit, préparant la livraison d'hydrogène pour le lendemain.

L'énergie nucléaire est déjà utilisée pour le dessalement de l'eau - un problème d'une extrême importance pour une grande partie du monde souffrant de l'absence d'eau potable, un problème particulièrement grave en Asie et en Afrique du Nord. Ces réacteurs peuvent en outre produire de l'électricité, c'est à dire travailler comme de petites centrales nucléaires. Un exemple d'un réacteur nucléaire produisant de l'électricité et de l'eau dessalée est le BN-350 réacteur à neutrons rapides à Aktau, au Kazakhstan. Le Japon, la Russie et le Canada ont tous l'expérience des réacteurs nucléaires utilisés dans le dessalement de l'eau et l'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA) encourage fortement cette utilisation de l'énergie nucléaire. L'idée est d'utiliser les centrales nucléaires pour produire de l'électricité pour le réseau pendant les périodes de plus forte demande, et lorsque la demande baisse, d'utiliser une partie de l'électricité produite à des fins de dessalement. Des projets sont en cours de développement en Inde, en Chine, en Russie, au Pakistan, en Tunisie, au Maroc, en Egypte, en Algérie, en Iran, en Corée du Sud, en Indonésie et en Argentine.

Les neutrons sont des particules d'un grand intérêt scientifique. Ils n’ont pas de charge mais ils agissent comme de minuscules aimants: on dit qu'ils possèdent un moment magnétique. Les neutrons libres se désintègrent en un proton, un électron et un antineutrino avec une demi-vie de 10,25 minutes, c’est pourquoi les neutrons produits dans le Soleil n'ont aucune chance d'atteindre notre planète. Bien qu'ils n’aient soi-disant pas de charge électrique, les physiciens cherchent encore une petite charge; ce serait la une des journaux si une telle charge est trouvée. Jusqu'à présent, nous avons prouvé que la charge doit être inférieure à 10-21 charges élémentaires! Mais nous savons qu'il y a des charges positives et négatives dans un neutron, ce qui nous fait demander si elles forment un dipôle dite électrique avec les charges positives et négatives séparées par une petite distance. Jusqu'à présent, il a été prouvé expérimentalement que cette séparation doit être inférieure à 10-26cm, témoignant de l'exactitude des expériences en cours.

Pour effectuer ces études il faut beaucoup de neutrons et les réacteurs nucléaires sont extrêmement utiles, car ils sont des usines à neutrons géantes. Les réacteurs conçus pour la fabrication de neutrons pour les expériences sont appelés réacteurs de recherche. Il existe de nombreuses applications de réacteurs de recherche dans les sciences, la médecine et la technologie.

TRIGA : réacteur de recherche à AERE, au Bangladesh (crédits image: AIEA).

Les sources de neutrons les plus utilisées pour la recherche sont les réacteurs à l'état d'équilibre qui produisent des neutrons en continu. Dans la plupart d'entre eux, le cœur du réacteur est immergé dans un bassin d'eau. L'eau forme une partie du système de refroidissement, agit comme un bouclier biologique, et fait également partie du modérateur de neutrons. Toutes les centrales nucléaires utilisent des réacteurs à l'état d'équilibre.

Il existe également des sources de neutrons pulsés qui produisent des explosions périodiques de neutrons. Certaines d'entre elles utilisent les réactions de spallation au lieu de la fission.

Un processus qui nécessite aujourd'hui une technologie de pointe a réellement eu lieu spontanément dans la nature il y a deux milliards d'années. Dans la mine d'uranium d'Oklo au Gabon, Afrique de l'Ouest, une découverte sensationnelle a été faite en Juin 1972. Il a été découvert que la part d’235U contenue dans le minerai d'uranium était sensiblement inférieure au taux de 0,72% constaté partout ailleurs. Comment cela pourrait-il être?

Puisqu’235U a une demi-vie plus courte que 238U, l'abondance relative de 235U dans l'uranium il y a 2 000 000 000 années, doit avoir été du niveau de 3-4% au lieu des typiques 0,72%. Mais un enrichissement de 3-4% de l'uranium en 235U est tout à fait typique pour les réacteurs actuels. Ainsi, les conditions hydrogéologiques (l'eau est un bon modérateur de neutrons et peut également servir de réflecteur!) dans le minerai d'uranium enrichi ont été favorables à une réaction en chaîne continue. Et c'est ce qui s'est passé. Le minerai est devenu de plus en plus pauvre en 235U, de sorte que ce qui a été découvert en 1972 était de l’235U qui a été appauvri par les réacteurs de fission naturels.

On estime que ces réacteurs naturels (17 réacteurs fossiles ont été découverts à Oklo jusqu'ici) ont opéré durant environ 1 million d'années. Les études ont montré que les réacteurs d'Oklo ont également produit du 239Pu qui s’est transformé (par désintégration alpha) en 235U, de sorte qu'ils étaient des surgénérateurs naturels! Oklo est un cadeau à l'humanité parce que les études sur la façon dont des fragments de fission longue durée de vie d'Oklo diffusent à travers le terrain nous permettent d'évaluer l'efficacité des dépôts souterrains de déchets nucléaires actuellement en cours de construction.