Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :
L'énergie nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) est produite par les noyaux des atomes qui subissent des transformations, ce sont les réactions nucléaires. Ces réarrangements nucléaires conduisent à des configurations plus stables, le différentiel (Un différentiel est un système mécanique qui a pour fonction de distribuer une vitesse de...) d'énergie (correspondant au différentiel de masse) constitue alors l'énergie libérée par la réaction. Les applications de l'énergie nucléaire s'appuient cette énergie. Les réactions nucléaires à la base des différentes applications sont détaillées ci-après.
Lorsqu'un neutron (Le neutron est une particule subatomique de charge électrique totale nulle.) percute le noyau de certains isotopes lourds, il existe une probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un...) que le noyau impacté se scinde en deux noyaux plus légers. Cette réaction, qui porte le nom de fission nucléaire, se traduit par un dégagement d'énergie très important (de l'ordre de 200 MeV par événement, à comparer aux énergies des réactions chimiques, de l'ordre de l'eV).
Cette fission s'accompagne de l'émission de plusieurs neutrons qui, dans certaines conditions, percutent d'autres noyaux et provoquent ainsi une réaction en chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :). Dans un réacteur nucléaire (Un réacteur nucléaire est un dispositif dans lequel une réaction en chaîne est...), cette réaction en chaîne se déroule à vitesse (On distingue :) lente (La Lente est une rivière de la Toscane.) et contrôlée. Dans une bombe, elle se propage si rapidement qu'elle conduit à une réaction explosive.
L'importance de l'énergie émise dans la fission provient du fait que l'énergie de liaison par nucléon (Le terme nucléon désigne de façon générique les composants du noyau...) du noyau initial est plus faible que celle des noyaux produits (environ 7,7 MeV par nucléon pour les éléments lourds, contre 8,8 pour le fer). La plus grande partie de l'énergie se retrouve sous forme d'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est...) des neutrons et des noyaux fils, énergie récupérée sous forme de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...) dans les réacteurs.
Un corps radioactif dégage naturellement un flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) lentement décroissant de chaleur. Cette chaleur peut être utilisée pour engendrer de l'électricité pour de petits générateurs appelés générateurs thermoélectriques à radio-isotope. Cette application est très onéreuse, et délicate à utiliser en raison du fort environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) radioactif. Elle n'est donc utilisée que pour de petites puissances, par exemple pour alimenter en énergie une sonde spatiale (Une sonde spatiale est un vaisseau spatial non habité envoyé par l'homme pour...) qui s'éloigne du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...), et ne peut utiliser les panneaux solaires photovoltaïques.
La fusion nucléaire est une réaction où deux noyaux atomiques s'assemblent pour former un noyau plus lourd (par exemple un noyau de deutérium (Le deutérium (symbole 2H ou D) est un isotope naturel de l'hydrogène. Son noyau atomique...) et un noyau de tritium (Le tritium (T ou 3H) est - comme le deutérium - l'un des isotopes de l'hydrogène. Il...) s'unissent pour former un noyau d'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il...) plus un neutron). La fusion des noyaux légers dégage une énorme quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) d'énergie provenant de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) forte, bien plus importante que la répulsion électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre...) entre les constituants des noyaux légers. Ceci se traduit par un défaut de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) (cf. énergie de liaison ; E=mc²) ; le noyau résultant (En mathématiques, le résultant est une notion qui s'applique à deux polynômes....) ayant une masse moins élevée que la somme des masses des noyaux d'origine.
Cette réaction n'est cependant possible qu'à des températures très élevées (plusieurs dizaines de millions de degrés) où la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) est à l'état de plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions...). Ces conditions sont réunies au sein des étoiles ou lors de l'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un...) d'une bombe à fission nucléaire, qui amorce ainsi l'explosion thermonucléaire ( bombe H (La bombe H (aussi appelée bombe à hydrogène, bombe à fusion ou bombe...) ).
Actuellement, aucun appareillage ne permet de produire de l'énergie en contrôlant les réactions de fusion nucléaire. Des recherches sont en cours afin d'obtenir un plasma sur une durée suffisante, afin que l'énergie de fusion produite soit supérieure à celle investie dans le chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un...) des particules.Des recherches sont actuellement menées dans un cadre international afin de développer l'usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) civil de l'énergie de fusion nucléaire pour la production électrique.
Les applications de l'énergie nucléaire concernent, pour l'essentiel, deux domaines :
Une autre application est la production d'isotopes radioactifs utilisés dans l'industrie (radiographie de soudure par exemple) et en médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la...) (médecine nucléaire et radiothérapie)
D'autres utilisations ont été imaginées, voire expérimentées, comme la production de chaleur pour alimenter un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) de chauffage, le dessalement (Le dessalement de l'eau (également appelé dessalage ou désalinisation) est un...) de l'eau de mer (L'eau de mer est l'eau salée des mers et des océans de la Terre.) ou la production d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.).
Ces applications utilisent des réacteurs nucléaires (appelés aussi piles atomiques, lorsqu'il s'agit de faible puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :), d'usage expérimental et de production de radio-isotopes).
Les réactions de fission nucléaires y sont amorcées, modérées et contrôlées dans le cœur : assemblage de combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se...) et de barres de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) traversé par un fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...) caloporteur qui en extrait la chaleur. Cette chaleur est ensuite convertie en énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il...) (ou en énergie motrice en propulsion navale) par l'intermédiaire de turbines (vapo-alternateurs).
Le premier parc (Un Parc est un terrain naturel enclos,[1] formé de bois ou de prairies, dans lequel ont été...) mondial de centrales nucléaires est celui des États-Unis (104 réacteurs nucléaires pour une puissance de 99 GW), puis de la France (59 réacteurs nucléaires pour une puissance de 63 GW). En proportion, la Lituanie est le second pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue...) le plus dépendant de l'énergie nucléaire, avec 69,6% de son électricité produite à partir du nucléaire selon l'AIEA, la France venant en première position avec 78% de son électricité produite à partir du nucléaire (chiffres de l'AIEA de 2005, disponibles le 20 mars 2007).
Pays | Production (TWh) | Puissance installée (GW) | Électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...) nucléaire (%) | |
France | 431 | 63 | 78% | |
Belgique | 45 | 6 | 56% | |
Suède | 70 | 9 | 47% | |
Suisse | 28 | 4 | 39% | |
Ukraine | 83 | 13 | 48% | |
Corée du Sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.) | 139 | 17 | 45% | |
Allemagne | 154 | 20 | 31% | |
Japon | 281 | 48 | 30% | |
Royaume-Uni | 75 | 12 | 20% | |
États-Unis | 780 | 99 | 19% | |
Russie | 137 | 22 | 16% | |
Canada | 87 | 13 | 15% | |
Total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un...) | 2626 | 370 | 17% | |
(Source : Agence internationale de l'énergie atomique, 31/12/2005) |
Production d'énergie nucléaire de la Chine en 2004 : 50 TWh (lien).
Les bâtiments à propulsion nucléaire utilisent un ou plusieurs réacteurs nucléaires. La chaleur produite est transmise à un fluide caloporteur utilisé pour générer de la vapeur () d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) actionnant :
Environ 400 navires à propulsion nucléaire existent dans le monde (Le mot monde peut désigner :), très majoritairement militaires, surtout des sous-marins, mais aussi des porte-avions (Un porte-avions est un navire de guerre permettant de transporter et de mettre en œuvre des...) et des croiseurs, et quelques navires civils (brise-glaces). Des cargos nucléaires ont également été expérimentés dans les années 1960 et 1970 ( l'américain Savannah, l'allemand Otto Hahn et le japonais Mutsu), mais leur exploitation ne s'est pas avérée rentable et, ces expériences ont été abandonnées.
Les coûts d'investissement et d'exploitation de la propulsion nucléaire ne la rendent véritablement intéressante que pour un usage militaire et particulièrement pour les sous-marins. Cette énergie apporte :
La propulsion nucléaire apporte donc aux sous-marins un avantage déterminant, au point (Graphie) que l'on peut qualifier les sous-marins classiques de simples submersibles.
Certains engins spatiaux comme Voyager ont déjà emporté des générateurs nucléaires pour alimenter leur électronique. En revanche la propulsion nucléaire, au cas où elle serait possible, n'est encore qu'envisagée. Elle aurait l'avantage de produire une poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air...), certes faible, mais constante pendant tout le trajet, alors que les engins spatiaux actuels - sauf ceux utilisant l'énergie solaire (L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou de...) - ne peuvent produire qu'une seule poussée initiale, ou quelques ajustements de trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et...), à cause de la faible contenance de leurs réservoirs. C'est pourquoi on les nomme balistiques, et c'est aussi pour cela qu'il leur faut atteindre la vitesse de libération dès le départ. Sur de longs trajets, interplanétaires par exemple, cette accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique,...) continue pourrait être globalement plus efficace que l'accélération initiale utilisée actuellement.
Sur le papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres...), avec une accélération constante de 1g sur la première moitié du trajet et une décélération de 1g sur la seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...), les étoiles les plus proches seraient à la portée d'un équipage en une dizaine d'années de voyage (Un voyage est un déplacement effectué vers un point plus ou moins éloigné dans un but personnel...) (temps propre du vaisseau), d'après la relativité restreinte (La relativité restreinte est la théorie formelle élaborée par Albert Einstein...). Toutefois, plusieurs siècles s'écouleraient à l'extérieur. Ceci poserait des problèmes de motivation (La motivation est, dans un organisme vivant, la composante ou le processus qui règle son...) politique pour une telle entreprise.
Mais en outre, à supposer que l'on trouve un procédé d'accélération approprié, il faut bien voir que la contraction du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) ainsi obtenue repose sur le fait que la vitesse moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...) du voyage est proche de celle de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) (contraction relativiste du temps). Si le rapport moyen entre temps propre (En théorie relativiste, on appelle temps propre d'une particule le temps mesuré dans le...) du vaisseau et temps terrestre est de 100, (des années pour des siècles), ceci implique une dépense d'énergie telle que, même avec un rendement de 100%, la masse du vaisseau spatial serait divisée par 1450 pour l'accélération aller, et le même facteur pour la décélération aller, puis la même chose pour le retour. A son retour, la masse du vaisseau ne serait plus que 2,3·10–13 celle qu'il possédait à son départ. Et ce calcul est purement cinématique (En physique, la cinématique est la discipline de la mécanique qui étudie le...), et ne prend pas en compte les problèmes techniques inévitables.
Dans ces conditions, beaucoup de scientifiques veulent limiter les essais de propulsion nucléaire car ses avantages sont loin d'être évidents, tandis que si un accident survient, la pollution spatiale (Le terme de « pollution spatiale » s'applique aux dégradations diverses...) entraînée serait désastreuse.
Les puissances des bombes nucléaires vont du kilotonne à la mégatonne d'équivalent TNT. L'énergie d'une explosion nucléaire est répartie essentiellement dans l'effet de souffle (onde de choc), l'effet thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) et les radiations.
Les armes nucléaires sont de deux types :
La bombe à neutrons (La bombe à neutrons, également appelée bombe N ou bombe à rayonnement...) est une variante de bombe thermonucléaire conçue pour maximiser la part de l'énergie émise sous forme de radiations; elle est supposée détruire les plus grandes formes de vie (La vie est le nom donné :) dans le voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la...) de la cible, tout en provoquant un minimum de dégâts matériels.
La première utilisation militaire d'une arme nucléaire ( "bombe A (La bombe A, communément appelée bombe atomique, bombe à fission ou bombe...)" ) a été en 1945, le largage de deux bombes sur les villes japonaises d'Hiroshima et de Nagasaki par l'armée américaine, afin de mettre un terme à la Seconde Guerre mondiale. Depuis, ce type d'armement n'a fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) que d'essais expérimentaux (atmosphériques puis souterrains) puis de modélisations informatiques.
La bombe atomique a été à l'origine de la doctrine de dissuasion ou équilibre de la terreur qui a été développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de...) durant la Guerre froide.
Dans la doctrine d'emploi de la plupart des puissances nucléaires, on distingue :
Dans la doctrine d'emploi française, il n'existe pas d'"arme tactique", mais des armes de faible puissance sont définies comme pré-stratégiques ; dans cette conception, ces armes ne servent (Servent est la contraction du mot serveur et client.) qu'accessoirement à un but militaire sur le terrain, leur principal effet étant celui d'un "ultime avertissement", de nature politique, pour prévenir les dirigeants ennemis que les intérêts vitaux de la France sont désormais en jeu, et que le prochain échelon des représailles sera thermo-nucléaire.
Des utilisations civiles des armes nucléaires ont été envisagées (par exemple, creusement de cavités souterraines pour le stockage de gaz).
Les applications civiles de l'énergie nucléaire sont controversées en raison, pour leurs adversaires :
Cependant, les partisans insistent sur le fait que :
Les risques et les coûts ne sont pas évalués de la même façon par les pro- et les anti-nucléaires, qui se divisent aussi au sujet de l'utilité des applications nucléaires civiles et militaires, en particulier de la production d'électricité nucléaire et de l'opportunité d'une sortie du nucléaire civil.