L'énergie nucléaire est l’énergie associée à la force de cohésion des nucléons (protons et neutrons), la force nucléaire forte au sein du noyau des atomes. Les transformations du noyau libérant cette énergie sont les réactions nucléaires. La force nucléaire faible régit les réactions entre particules et neutrinos.
La libération d'énergie nucléaire a lieu naturellement par les réactions de fusion nucléaire au sein des étoiles ainsi que par fission nucléaire dans la radioactivité naturelle, la principale source de chaleur de la Terre« Radioactivité », Connaissance des énergies : . L'énergie libérée lors des réactions de fission ou de fusion nucléaires est exploitée à des fins civiles et militaires, au sein de réacteurs nucléaires ou lors d'explosions atomiques.
Radioactivité La radioactivité est un phénomène physique naturel, se manifestant par le fait que certains types de noyaux atomiques, instables, peuvent dissiper sous forme d'énergie une partie de leur masse initiale (transformée selon la célèbre formule E=mc d'Albert Einstein) et évoluer spontanément vers des noyaux atomiques plus stables, par désintégration.
Un corps radioactif dégage naturellement cette énergie sous la forme d'un flux de rayonnement ionisant et de chaleur. Cette chaleur est particulièrement intense pour le combustible nucléaire dans le réacteur ; c’est la raison pour laquelle le combustible irradié est entreposé dans une piscine de désactivation près du réacteur. C'est le même phénomène qui est à l'origine d'une partie de la chaleur de la croûte continentale terrestre.
Réaction nucléaire Une réaction nucléaire est une interaction entre un noyau atomique et une autre particule (particule élémentaire, noyau atomique ou rayonnement gamma) qui provoque un réarrangement nucléaire.
Ces réactions sont d'autant plus faciles qu'elles conduisent à des configurations plus stables. La différence d’énergie (correspondant au défaut de masse) constitue alors l’énergie libérée par la réaction. Cette transformation de la masse en énergie (selon la célèbre formule E=mc) est utilisée dans les réactions nucléaires de fission et fusion.
Fission vignette|Un exemple de fission nucléaire : une réaction en chaîne faisant intervenir de l'.
Lorsqu’un neutron percute le noyau de certains isotopes lourds, il existe une probabilité que le noyau percuté 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 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. Dans un réacteur nucléaire, cette réaction en chaîne se déroule dans des conditions stables, à vitesse lente et contrôlée. Dans une bombe, où la matière est placée brusquement très loin de son domaine de stabilité, la réaction se multiplie si rapidement qu’elle conduit à une réaction explosive.
L’importance de l’énergie émise lors de la fission provient du fait que l’énergie de liaison par nucléon du noyau initial est plus faible que celle des noyaux produits (environ 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 des neutrons et des noyaux fils, une énergie récupérée sous forme de chaleur dans les réacteurs. D'après le CEA, l'énergie produite par d'uranium naturel dans un réacteur nucléaire est égale à l'énergie de 10 tonnes équivalent pétrole (tep)Les sources d'énergie, CEA, 2004.. Selon les observations récentes d'ondes gravitationnelles B. P Abbott , Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, Physical Review Letters, 116, 061102 (2016), cette énergie de liaison provient de la conversion d'énergie gravitationnelle en énergie cinétique, puis en énergie de liaison. lors de la formation d'éléments lourds par processus r au cours de la coalescence de deux étoiles à neutrons (un phénomène aussi appelé kilonova).
Fusion nucléaire vignette|Un exemple de fusion nucléaire : la fusion du deutérium avec du tritium produit de l' et un neutron et libère de l'énergie.
La fusion nucléaire est une réaction dans laquelle deux noyaux atomiques s’assemblent pour former un noyau plus lourd ; par exemple, un noyau de deutérium et un noyau de tritium s’unissent pour former un noyau d’hélium plus un neutron. La fusion des noyaux légers dégage une quantité considérable d’énergie provenant de l’interaction forte, bien plus importante que la répulsion électrostatique entre les constituants des noyaux légers. Ceci se traduit par un défaut de masse (voir énergie de liaison et E=mc), le noyau résultant ayant une masse moins élevée que la somme des masses des noyaux d’origine.
Cette réaction n’a lieu qu’à des températures très élevées (plusieurs dizaines de millions de degrés) où la matière est à l’état de plasma. Ces conditions sont réunies au sein des étoiles, lors de l’explosion d’une bombe à fission nucléaire qui amorce ainsi l’explosion thermonucléaire (bombe H), ou dans des réacteurs nucléaires expérimentaux.
En 2021, aucune installation ne permet une production nette d’énergie par le contrôle de 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 des particules. En particulier, le projet international ITER fédère des chercheurs pour développer un usage civil de cette énergie. L'assemblage de ce réacteur a débuté le à Saint-Paul-lès-Durance en France et ses premiers essais devraient avoir lieu en 2025.
Comparaison des énergies nucléaire et chimique
L'énergie nucléaire est d'environ 1 % de l'énergie de masse donnée par la formule d'Einstein de l'énergie de masse (ici celle d'un proton) : .
C'est l'énergie nécessaire pour séparer un neutron d'un proton.. C'est aussi l'énergie de liaison du noyau de l'atome d'hydrogène.
Elle est de l'ordre d'un million de fois celle de l'énergie chimique qui est moins connue et donnée par la constante de Rydberg issue de la théorie de Bohr de l'atome d'hydrogène : .
L'énergie nucléaire est généralement attribuée à une interaction hypothétique, la force forte. Une théorie développée sur la force de cohésion des noyaux des isotopes de l'hydrogène indique. qu'elle peut s'exprimer par une formule analogue aux précédentes et de valeur intermédiaire :
L'ordre de grandeur de cette énergie de séparation neutron-proton est proche de l'énergie de liaison du deutérium H, , soit par nucléon. Elle est la moitié de celle de la particule qui est aussi l'hélium 4, He. Les noyaux du fer Fe et du nickel Ni sont les éléments chimiques qui ont la plus grande énergie de liaison nucléaire, légèrement inférieure à .
Connaissant les formules des énergies nucléaire et chimique, on en déduit l'ordre de grandeur de leur rapport :
Ce résultat peut être obtenu de façon simple. En effet le rayon de Bohr caractérisant l'énergie chimique, celle de l'atome d'hydrogène, est
.
Le rayon d'un nucléon n'est pas une constante universelle mais le rayon de Compton du proton,
est assez voisin du rayon du proton, 1 fm, en est une. Le rapport du rayon de Bohr à celui du proton est alors de l'ordre de .
Selon la loi de Coulomb, l'énergie électrostatique est en raison inverse du rayon. Faisons le rapport :
On obtient la formule donnée plus haut, divisée par 2. En fait ce calcul ne donne que l'ordre de grandeur du rapport des énergies nucléaire et chimique, d'autant que l'énergie de liaison par nucléon varie de pour l'hydrogène lourd à près de pour le fer.
Les symboles utilisés sont : Énergie de masse Énergie nucléaire Énergie chimique Énergie du proton : Énergie de l'électron : Constante de structure fine :
L'énergie nucléaire est une fraction évaluée habituellement à 1 % de l'énergie de masse d'Einstein, ce qu'on retrouve avec un coefficient de 1/137 obtenu par un calcul basé sur la loi de Coulomb où le potentiel est en 1/r.
Applications Réactions nucléaires modérées vignette|Cœur de réacteur nucléaire (École polytechnique fédérale de Lausanne).
Les applications de l’énergie nucléaire concernent, pour l’essentiel, deux domaines : la production d'électricité dans des centrales nucléaires ; la propulsion navale, principalement pour les flottes militaires (sous-marins et porte-avions) et pour quelques navires civils, notamment des brise-glaces.
Une autre application est la production d’isotopes radioactifs utilisés dans l’industrie (radiographie de soudure, par exemple) et en médecine (médecine nucléaire et radiothérapie). D’autres utilisations ont été imaginées, voire expérimentées, comme la production de chaleur pour alimenter un réseau de chauffage, le dessalement de l’eau de mer ou la production d'hydrogène.
Ces applications utilisent des réacteurs nucléaires (appelés aussi piles atomiques, lorsqu’il s’agit de faible puissance, d’usage expérimental et de production de radioisotopes). Les réactions de fission nucléaire y sont amorcées, modérées et contrôlées dans le cœur, constitué de l'assemblage de combustible et de barres de contrôle et traversé par un fluide caloporteur qui en extrait la chaleur. Cette chaleur est ensuite convertie en énergie électrique (ou en énergie motrice pour la propulsion navale) par l’intermédiaire de turbines et alternateurs (ensemble appelé turbo-alternateur).
Centrales nucléaires
Les 415 réacteurs en fonctionnement au 23 novembre 2024 totalisent une puissance installée de , dont (25,9 %) aux États-Unis, (16,4 %) en France, (14,5 %) en Chine, (7,2 %) en Russie, (6,9 %) en Corée du sud, (3,7 %) au Canada, (3,5 %) en Ukraine et (3,0 %) au Japon (). De plus, 25 réacteurs sont en attente de redémarrage, dont 21 au Japon () et 4 en Inde () In Operation & Suspended Operation, Agence internationale de l'énergie atomique, (PRIS), 23 novembre 2024..
Les 63 réacteurs en construction dans totalisent une puissance de , dont (46,5 %) en Chine, (8,2 %) en Inde, (6,7 %) en Turquie, (6,7 %) en Égypte, (5,8 %) en Russie et (4,9 %) au Royaume-Uni Under Construction Reactors, Agence internationale de l'énergie atomique, Power Reactor Information System (PRIS), 23 novembre 2024..
vignette|Production d'électricité d'origine nucléaire par pays (2012). vignette|Pourcentages de production d'électricité d'origine nucléaire par pays (2012). La production d'électricité des centrales nucléaires a atteint un pic de en 2006 ; après une chute à en 2012 consécutive à l'accident nucléaire de Fukushima, elle est remontée progressivement à en 2019, puis a reculé à en 2023 Trend in Electricity Supplied, Agence internationale de l'énergie atomique, (PRIS), 23 novembre 2024..
La part du nucléaire dans la production mondiale d'électricité était de 9,8 % en 2021 et de 9,2 % en 2022 contre 16,9 % en 1990 Statistics Data Browser - Electricity generation by source, World, 1990-2022, Agence internationale de l'énergie, 21 décembre 2023.. En 2023, les principaux pays producteurs d'électricité nucléaire sont les États-Unis (, 30,5 % du total mondial), la Chine (, 15,9 %), la France (, 12,7 %), la Russie (, 8,0 %) et la Corée du sud (, 6,7 %). En 2020, la Chine augmente sa production de par le démarrage de deux nouveaux réacteurs et prend sa deuxième place à la France..
À la suite de l'accident nucléaire de Fukushima, la production d'électricité d'origine nucléaire a chuté de en 2011, soit 13,5 % de la production mondiale d'électricité, à 10,8 % en 2012., puis se maintient à environ 11 % jusqu'en 2015..