L’énergie nucléaire : la force cachée au cœur des atomes

L'idée

Au centre de chaque atome se trouve un noyau, fait de protons et de neutrons très fortement collés entre eux. Cette « colle » cache une énergie énorme. Il y a deux façons de la libérer.

La fission : casser un gros noyau. Quand un neutron frappe le noyau d'un atome d'uranium 235, ce noyau se casse en deux noyaux plus petits. Il libère de la chaleur et deux ou trois nouveaux neutrons, qui peuvent à leur tour casser d'autres noyaux. C'est une réaction en chaîne. Les morceaux pèsent un tout petit peu moins lourd que le noyau de départ : cette masse disparue est devenue de l'énergie, selon E = mc².

La fusion : coller de petits noyaux. En collant des noyaux très légers, comme ceux de l'hydrogène, on libère aussi de l'énergie. C'est ce qui fait briller le Soleil et les étoiles. Mais il faut des températures de plusieurs millions de degrés, et on ne sait pas encore en faire une source d'électricité.

Dans une centrale, tout le travail du nucléaire consiste à… faire bouillir de l'eau. La fission chauffe l'eau, la vapeur fait tourner une turbine, et la turbine entraîne un alternateur qui produit l'électricité, comme dans une centrale à charbon. Des barres de contrôle, qui absorbent les neutrons, permettent de ralentir ou d'arrêter la réaction en chaîne.

Une image pour comprendre

Aligne des dominos debout, en les plaçant de façon que chacun en fasse tomber deux autres. Pousse le premier : la chute s'accélère et se propage partout. C'est une réaction en chaîne qui s'emballe, comme dans une bombe.

Maintenant, retire au hasard quelques dominos de la file pour qu'en moyenne, chaque domino n'en fasse tomber qu'un seul. La chute continue, régulière, sans s'emballer. C'est ce que font les barres de contrôle dans un réacteur : elles « retirent » des neutrons pour garder la réaction stable.

L'histoire de la découverte

Des rayons venus de la matière. En 1896, le Français Henri Becquerel découvre que l'uranium émet seul un rayonnement invisible. Marie Curie et Pierre Curie étudient ce phénomène, qu'elle appelle radioactivité, et découvrent deux nouveaux éléments, le polonium et le radium. Ils partagent le prix Nobel de physique de 1903 avec Becquerel.

1938, le noyau se casse. En décembre 1938, à Berlin, les chimistes Otto Hahn et Fritz Strassmann bombardent de l'uranium avec des neutrons et trouvent, à leur grande surprise, du baryum, un élément beaucoup plus léger. Ils n'arrivent pas à l'expliquer. C'est Lise Meitner, physicienne autrichienne qui avait travaillé trente ans avec Hahn et venait de fuir les nazis vers la Suède, qui comprend avec son neveu Otto Frisch : le noyau s'est cassé en deux. Frisch emprunte à la biologie le mot fission. En 1944, le prix Nobel de chimie est attribué à Otto Hahn seul. Lise Meitner, elle, a été oubliée par le comité, une injustice souvent rappelée. L'élément 109 du tableau périodique porte aujourd'hui son nom : le meitnérium.

De la guerre à l'électricité. Pendant la Seconde Guerre mondiale, les États-Unis lancent un immense programme secret. Le 2 décembre 1942, à Chicago, l'équipe de l'Italien Enrico Fermi réalise la première réaction en chaîne contrôlée. En août 1945, deux bombes atomiques détruisent les villes japonaises de Hiroshima et de Nagasaki, tuant des dizaines de milliers de personnes en un instant. Après la guerre, on construit des réacteurs pour produire de l'électricité, à partir des années 1950.

Les accidents. Le 26 avril 1986, une explosion détruit un réacteur de la centrale de Tchernobyl, en Ukraine : c'est le plus grand rejet radioactif de l'histoire du nucléaire civil. En 2011, au Japon, un tsunami provoque l'accident de la centrale de Fukushima. Ces catastrophes ont renforcé les règles de sûreté et fait grandir la méfiance de nombreux citoyens.

La fusion avance. Le 5 décembre 2022, en Californie, une expérience de fusion produit pour la première fois plus d'énergie que celle des lasers utilisés pour la déclencher. En France, le grand projet international ITER construit une machine pour étudier la fusion à plus grande échelle.

Ce que cela change pour nous

Selon la World Nuclear Association, environ 440 réacteurs fournissent environ 9 % de l'électricité du monde. Leur grand avantage : ils produisent beaucoup d'électricité, jour et nuit, sans émettre de gaz à effet de serre pendant leur fonctionnement. Leurs grands inconvénients : le risque d'accident grave, le coût élevé des centrales, et des déchets radioactifs dont certains restent dangereux pendant des milliers d'années.

Le nucléaire sert aussi à soigner : la radiothérapie détruit des tumeurs, et des produits radioactifs aident à faire des images du corps. Chaque pays fait ses choix ; pour en débattre sérieusement, il faut d'abord comprendre comment cela marche.

Pour aller plus loin

• La découvreuse de la radioactivité : Marie Curie.
• Le noyau, ses protons et ses neutrons : l'atome et le tableau périodique.
• E = mc², la formule derrière la fission : la relativité.
• Les autres façons de produire de l'électricité : l'énergie et ses formes et les énergies renouvelables.