La radioactivité, propriété naturelle de certains atomes
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Cependant, certains atomes ont des noyaux instables, ce qui est dû à un excès soit de protons, soit de neutrons, ou encore un excès des deux. Ils sont dits radioactifs et sont appelés radio-isotopes ou radionucléides.
Les noyaux d'atomes radioactifs se transforment spontanément en d'autres noyaux d'atomes, radioactifs ou non. Ainsi, de noyau radioactif en noyau radioactif, l'uranium 238 tend à se transformer en une forme stable, le plomb 206. Cette transformation irréversible d'un atome radioactif en un autre atome est appelée désintégration. Elle s'accompagne d'une émission de différents types de rayonnements.
Un élément chimique peut donc avoir à la fois des isotopes radioactifs et des isotopes non radioactifs. Par exemple, le carbone 12 n'est pas radioactif, alors que le carbone 14 l'est.
La radioactivité ne concernant que le noyau et non les électrons, les propriétés chimiques des isotopes radioactifs sont les mêmes que celles des isotopes stables.
La découverte de la radioactivité naturelle
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1896
C'est accidentellement, en essayant de savoir si certaines substances phosphorescentes peuvent émettre des rayons X, qu'Henri Becquerel découvre le phénomène de la radioactivité. Il met ainsi en évidence la propriété des sels d'uranium d'émettre spontanément des rayonnements pénétrants (absorbés par la matière). Il les nommera « rayons uraniques ».1898
Marie Curie souhaite savoir si l'émission de ces « rayons uraniques » est spécifique à l'uranium. Elle est rejointe dans ses recherches par son mari Pierre Curie et découvre deux substances capables d'émettre des rayonnements similaires et beaucoup plus intenses que ceux de l'uranium : le polonium et le radium. Ce phénomène d'émission est alors baptisé « radioactivité ». Dès lors, la découverte suscite un grand intérêt dans la communauté scientifique.La radioactivité alpha
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Des atomes dont les noyaux radioactifs sont trop chargés en protons et en neutrons émettent souvent un rayonnement alpha. Ils se transforment en un autre élément chimique dont le noyau est plus léger.
Par exemple, l'uranium 238 est radioactif alpha et se transforme en thorium 234.
La radioactivité bêta moins
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Certains atomes dont les noyaux sont trop chargés en neutrons émettent un rayonnement bêta moins. Un des neutrons au sein du noyau se désintègre en un proton et un électron, ce dernier étant éjecté. Ainsi, l'atome s'est transformé en un autre élément chimique.
Par exemple, le thorium 234 est radioactif bêta moins et se transforme en protactinium 234.
La radioactivité gamma
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Ce rayonnement succède souvent à une désintégration de type alpha ou bêta. Après émission de la particule alpha ou bêta, le noyau est encore excité car ses protons et ses neutrons n'ont pas trouvé leur équilibre. Il se libère alors rapidement d'un trop-plein d'énergie par émission d'un rayonnement gamma. C'est la radioactivité gamma.
Par exemple, le cobalt 60 se transforme par désintégration bêta en nickel 60 qui atteint un état stable en émettant un rayonnement gamma.
Les radio-isotopes naturels
- les radio-isotopes caractérisés par une très longue demi-vie comme l'uranium 238 (4,5 milliards d'années) et le potassium 40 (1,3 milliard d'années). Ils n'ont pas encore eu le temps de tous se désintégrer depuis qu'ils ont été créés ;
- les descendants radioactifs des précédents comme le radium 226 qui est en permanence régénéré après désintégration de l'uranium 238. Le radium 226 se transforme lentement en un gaz lui-même radioactif, le radon 222 ;
- les radio-isotopes créés par l'action des rayonnements cosmiques sur certains noyaux d'atomes. C'est le cas, par exemple, du carbone 14 qui se forme en permanence dans l'atmosphère.
Les radio-isotopes artificiels
Fortement radioactifs, ils doivent être stockés sous haute surveillance et isolés de l'homme.
Les différents rayonnements
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L'homme est également exposé à d'autres rayonnements invisibles provenant de l'espace : les rayonnements cosmiques.
Les éléments radioactifs présents dans notre environnement émettent des rayonnements alpha, bêta et gamma.
Pouvoir de pénétration des rayonnements ionisants
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Particules alpha
Pénétration très faible dans l'air. Une simple feuille de papier est suffisante pour arrêter les noyaux d'hélium.Particules bêta moins : électrons
Pénétration faible. Parcourent quelques mètres dans l'air. Une feuille d'aluminium de quelques millimètres peut arrêter les électrons.Rayonnements X et gamma
Pénétration très grande, qui est fonction de l'énergie du rayonnement : plusieurs centaines de mètres dans l'air. Une forte épaisseur de béton ou de plomb permet de s'en protéger.Neutrons
Pénétration dépendante de leur énergie. Une forte épaisseur de béton, d'eau ou de paraffine arrête les neutrons.Exemple de réaction de fusion nucléaire
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La fusion de noyaux très légers donne naissance à un noyau de taille moyenne. De nombreux laboratoires étudient la fusion de deux noyaux légers comme ceux du deutérium et du tritium qui sont deux isotopes lourds de l'hydrogène. Mais il n'existe pas encore d'applications industrielles de la fusion pour la production d'électricité.
Exemple de réaction de fission nucléaire
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La fission, ou cassure d'un noyau très lourd, donne naissance à deux noyaux de taille moyenne. La réaction de fission est plus simple à réaliser sur Terre que celle de fusion. Elle consiste à casser des noyaux lourds, comme ceux de l'uranium 235 ou du plutonium 239, sous l'effet de l'impact d'un neutron. L'énergie de fission libérée est utilisée dans les réacteurs nucléaires. Ces derniers produisent actuellement le sixième de l'électricité consommée dans le monde.
La fusion nucléaire
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La réaction la plus étudiée est la fusion de deux noyaux d'isotopes de l'hydrogène, le deutérium et le tritium, qui fusionnent pour créer un noyau plus lourd, celui de l'hélium. Pour atteindre des températures très élevées et des densités suffisantes de noyaux et pour augmenter la probabilité qu'ils se rencontrent, l'homme se heurte à de nombreuses difficultés techniques. Cette expérience peut se réaliser en laboratoire à l'aide d'une machine appelée Tokamak : à faible concentration, le mélange d'isotopes d'hydrogène gazeux à fusionner est enfermé à l'intérieur de parois immatérielles créées par des champs magnétiques ; les noyaux y sont portés à plus de 100 millions de degrés.
Réaction en chaîne dans les réacteurs nucléaires
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Dans un réacteur nucléaire, la réaction en chaîne est maîtrisée de façon à maintenir un rythme de fissions constant. C'est-à-dire que, sur les deux ou trois neutrons libérés lors d'une fission, seuls l'un d'entre eux provoque une nouvelle fission, les autres étant capturés. La quantité de chaleur libérée à chaque seconde dans la masse d'uranium est ainsi parfaitement contrôlée.
Les trois catégories de déchets radioactifs
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La quantité annuelle de déchets industriels produits en France, par habitant, est de 2 500 kg (dont 100 kg de déchets toxiques) contre 1 kg environ de déchets nucléaires. Dans ce kilo, seuls 10 g sont des déchets de haute activité. On distingue trois catégories de déchets radioactifs :
<B>Catégorie A</B>
<B>Catégorie A</B>
- Déchets à vie courte (période de moins de 30 ans) de faible et moyenne activité.
- Rayonnement « bêta » et « gamma ».
- Radioactivité comparable à la radioactivité naturelle d'ici à 300 ans.
- Origine : laboratoires, médecine nucléaire, industrie (agroalimentaire, métallurgie, etc.), usines nucléaires (objets contaminés : gants, filtres, résines, etc.).
- Déchets à vie longue (plusieurs dizaines de milliers d'années) de faible et moyenne activité.
- Rayonnement « alpha ».
- Déchets à vie longue et à haute radioactivité et dégagement de chaleur pendant plusieurs centaines d'années.
- Rayonnement « alpha ».
- Origine : retraitement des combustibles usés issus des centrales nucléaires (cendres de la combustion).
Une énergie non fossile : l'énergie nucléaire
L'énergie nucléaire est une énergie récente née à la fin des années 30 avec la découverte de la réaction de fission. L'énergie nucléaire est localisée dans les noyaux des atomes. Ces noyaux, 100 000 fois plus petits que les atomes eux-mêmes, sont constitués de particules plus élémentaires, les protons et les neutrons, très fortement liés entre eux. La fission consiste à casser des noyaux lourds, comme ceux de l'uranium 235 ou du plutonium 239, sous l'effet de l'impact d'un neutron. C'est l'énergie libérée par cette réaction qui est utilisée dans les réacteurs électronucléaires, une énergie considérable puisqu'un seul gramme d'uranium fournit autant d'énergie que 3 tonnes de charbon.L'énergie nucléaire s'est imposée en France suite aux chocs pétroliers des années 70, afin d'accroître l'indépendance énergétique du pays. En 1974, le gouvernement a ainsi lancé un programme de construction de centrales nucléaires, dont les coûts d'exploitation sont peu sensibles aux fluctuations pouvant intervenir sur les coûts des matières premières.Le développement de l'énergie nucléaire implique que la gestion des déchets radioactifs ait une solution industrielle. En France, la question des déchets a été prise en compte dès le début de l'industrie nucléaire, si bien que 90 % des déchets disposent d'un mode de gestion industriel depuis plusieurs années. Concernant les 10 % restant, des recherches sont actuellement menées pour proposer des solutions d'ici 2006.
L'uranium qui alimente les centrales nucléaires est en effet présent de façon importante partout dans le monde mais il est plus particulièrement situé dans des pays stables sur le plan politique. Ceci évite les tensions que l'on peut avoir sur le pétrole, le gaz et dans une moindre mesure sur le charbon. La mise en place du programme électronucléaire a permis de remplacer le fioul par l'énergie nucléaire pour la production d'électricité. En France, 76 % de l'électricité est d'origine nucléaire. C'est l'une des plus compétitives d'Europe. Grâce à son parc de 58 réacteurs, la France atteint un taux d'indépendance énergétique proche de 50 %, lui garantissant une grande stabilité d'approvisionnement. Actuellement, l'énergie nucléaire représente 16 % de la production mondiale d'électricité.
Parallèlement, si la production d'électricité nucléaire génère des déchets, elle ne contribue que très peu à la production de gaz à effet de serre. Ainsi, le programme électronucléaire français a permis au secteur électrique en France de diviser ses émissions de CO2 par 3,5 à compter des années 1980. Aujourd'hui, en France, le niveau des émissions de CO2 est un des plus faible d'Europe et on estime que sans l'existence de production d'électricité d'origine nucléaire, les quantités de gaz à effet de serre émises par les pays de l'OCDE auraient pu être, en 2000, de 6 à 15 % plus élevées.
Enfin, les centrales nucléaires ne contribuent pas aux pollutions acides puisqu'elles n'émettent ni dioxyde de soufre ni oxyde d'azote.
L'énergie produite dans le monde
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Avec la fluctuation des cours du gaz, la raréfaction du pétrole et l'avènement de nouvelles technologies performantes, ces proportions évolueront nécessairement dans les cinquante prochaines années au cours desquelles du fait de l'augmentation de la population mondiale, la consommation d'énergie devrait notablement augmenter, notamment dans les pays en développement.
