The Clem Site - TPE le nucléaire

Le nucléaire est une énergie d’une puissance très importante. Dès que l’homme a su s’en servir, il lui a trouvé de nombreuses utilisations pour le pire…et pour le meilleur.

I COMMENT CA MARCHE ?

1. L’atome

Un atome est constitué de plusieurs parties. Au centre se trouve le noyau composé de protons et de neutrons. Tout autour gravitent des électrons qui se déplacent à grande vitesse.

Évidemment, il faut beaucoup d’atomes pour constituer un élément. Par exemple, dans un gramme d’hydrogène il y en a six cent mille milliards de milliards.

2. La radioactivité

Dans l’univers ,il y a deux sortes d’atomes : les atomes qui ne changent pas et ceux qui se modifient d’eux-mêmes, spontanément. L’atome qui ne change pas garde toujours le même nombre de protons, de neutrons et d’électrons. C’est le cas de la grande majorité des atomes. On dit qu’ils sont stables. Les atomes qui se modifient sont les moins nombreux. Ils changent pour devenir stables à leur tour. C’est le cas de l’uranium, un métal dur et gris. Pour se transformer, cet atome va éjecter quelques particules de son noyau. Cette transformation dégage une grande quantité d’énergie, de la chaleur. On dit que l’uranium émet des rayonnements. Suivant la nature de la particule émise – noyau d’hélium (proton), électron ou positon, photon, le rayonnement est appelé a, b, g.Cette transformation naturelle est appelée radioactivité naturelle. L’homme a appris à maîtriser cette énergie qu’il a appelée " nucléaire ". La période ou demi-vie est le temps nécessaire pour que la moitié des atomes d’un isotope radioactif se désintègre.

3. Histoire de la radioactivité

Pour vérifier une hypothèse sur la luminescence des matériaux, Henri Becquerel utilise un sel d’uranium qu’il expose au soleil sur une plaque photographique. Ayant constaté que la plaque est impressionnée, il pense que la luminescence du matériau, provoqué par la lumière solaire en est la cause. Les jours suivants, le ciel étant couvert, l’échantillon est placé sur une plaque vierge dans un tiroir.

Quand il veut reprendre l’expérience il constate avec étonnement que la plaque a été impressionnée, bien que l’échantillon n’ait pas été exposé à la lumière solaire. Remettant l’hypothèse de départ en cause, il soupçonne le sel d’uranium d’émettre spontanément un rayonnement très pénétrant.

Dans les semaines qui suivent il constate qu’à proximité d’un sel d’uranium l’air est devenu conducteur de l’électricité : le rayonnement émis à un pouvoir ionisant. Il leur donne pour nom “ rayons uraniques”.

Marie et Pierre Curie découvrent ensuite d’autres éléments radioactifs entre 1896 et 1898, comme le thorium, le polonium et le radium. Ils qualifient de radioactifs les éléments qui émettent des rayonnements ionisants et donnent à ce phénomène le nom de radioactivité. Pour leurs découvertes, Henri Becquerel, Marie et Pierre Curie reçoivent conjointement le prix Nobel de physique en 1903.

4. Le nucléaire apprivoisé

Quand on bombarde un neutron sur un noyau d’uranium, il se casse en deux : c’est la fission. L’atome se transforme alors en deux atomes différents et plus légers, tandis que deux neutrons s’échappent des deux morceaux. A leur tour, ces deux neutrons peuvent aller taper deux autres noyaux d’uranium voisins, et ainsi de suite… C’est la réaction en chaîne ! cette suite de transformations dégage une colossale énergie. Qui maîtrise cette réaction maîtrise l’énergie nucléaire.

On se souvient que la radioactivité provient de la désintégration spontanée d'atomes. Dans une substance radioactive, si on observe en moyenne une désintégration par seconde, on dit que cette substance a une activité de 1 Becquerel (Bq). Il est important de bien noter que l'activité d'une substance va dépendre directement de la quantité de matière radioactive, qu'elle soit solide, liquide ou gazeuse.

Les rayons ionisants communiquent de l'énergie. La dose reçue par un corps exposé à un rayonnement correspond à la quantité d'énergie reçue par ce corps. L'unité utilisée est le Gray (Gy), elle correspond à une énergie de 1 joule par kg de matière irradiée. La matière que l'on considère ici est celle qui subit le rayonnement. Cette unité est purement quantitative. On parlera de débit de dose si on fait intervenir le temps : Un débit de dose de 1 Gy/h n'aura pas les mêmes effets s'il est subi pendant quelques minutes ou quelques millisecondes !

Il existe plusieurs types de rayonnements ionisants. Chaque rayonnement a des effets spécifiques sur la matière vivante, c'est pourquoi on a été amené à créer une unité qui tient compte des différents effets biologiques des rayonnements pour mesurer les dégâts occasionnés à un organisme vivant. L'effet biologique mesuré s'appelle équivalent de dose et est donné en Sievert (Sv). Je n'ai aucune information sur les mystérieux calculs qui permettent d'évaluer les effets biologiques. C'est bien dommage car il semble que cette grandeur soit la plus intéressante pour nous...
Le débit d'équivalent de dose fait intervenir le facteur temps : Les effets de la radioactivité naturelle sur notre corps sont de l'ordre du milli-Sievert par an.

Grandeur mesurée	Unité officielle	Unité interdite	Équivalence
RadioactivitéDose absorbéeEffet biologique	Becquerel(Bq) Gray(Gy) Sievert(Sv)	Curie(Ci) Rad(rad) Rem(rem)	1 Ci = 3,7.10¹⁰ Bq 1 rad = 10^-2 Gy 1 rem = 10^-2 Sv

II LES UTILISATIONS BÉNÉFIQUES DE L’ÉNERGIE NUCLÉAIRE :

1) La médecine nucléaire

C’est la médecine qui la première a su utiliser la radioactivité. La médecine nucléaire permet d’explorer l’intérieur de l’organisme. On injecte au malade un élément radioactif non dangereux à faible dose (il est concentré sur une seule partie du corps, donc moins actif). Le signal qu’il émet grâce à ses rayons permet de suivre son déplacement avec une caméra spéciale. A l’aide de ces informations en direct, le médecin fait un diagnostic (dire quel est le nom de la maladie) ou surveille l’évolution d’une maladie.

2) Les sous-marins et bateaux nucléaires

Certains navires submersibles ou pas fonctionnent à l’énergie nucléaire. Ils transportent des mini-centrales nucléaires qui leur fournissent assez d’électricité pour rester en mer durant plusieurs mois.

3) La production d’électricité

La France produit les trois quarts de son électricité avec le nucléaire : C’est un record mondial…Dans le monde, une trentaine de pays produisent de l’électricité grâce au nucléaire. Mais ils ont aussi misé sur d’autres sources de l’énergie comme l’eau, le pétrole ou le vent.

Pour éclairer les maisons, chauffer les écoles, faire marcher les industries, un pays doit produire beaucoup d’énergie. Pour cela, il a besoin d’énormes quantités de pétrole, de gaz ou de charbon qui permettent de fabriquer de l’électricité. Le problème, c’est que la France ne dispose pas de toutes ces matières premières énergétiques. Elle est donc obligée de les acheter à l’extérieur. De plus, dans moins de 100 ans, toutes ces ressources se feront de plus en plus rares, avant d’être complètement épuisées. Ainsi, avec l’énergie nucléaire, la France ne compte sur personne pour produire l’électricité dont elle a besoin : près de 75% de notre électricité vient des centrales nucléaires. La France est le seul pays qui a autant besoin du nucléaire.

En envoyant certains types de rayons sur des œuvres anciennes, elles se conservent mieux. Ce procédé est utilisé pour tout ce qui est sculptures,… mais aussi tableaux (peintures)…

5) La vérification de matériel

Le nucléaire peut aussi aider à détecter des défaillances dans certains matériaux, que l’on ne peut déplacer (tuyaux ensevelis,…). En envoyant des rayons dans le matériau et en mesurant le taux de rayons de l’autre côté, on peut déceler ces défaillances (mauvais moulage,…)

III LES DANGERS DU NUCLÉAIRE

Danger !

L’homme est lui aussi constitué d’atomes. S’il s’expose à des rayonnements nucléaires trop violents, comme ceux créés par une bombe, ses atomes vont se transformer et ses cellules vont brûler.

Cela provoque de graves maladies, des cancers (leucémies par exemple), dus à des mutations de la cellule.

C’est pourquoi les personnes qui travaillent dans les centrales atomiques sont habillées d’épaisses combinaisons blanches qui les protègent des radiations..

1) La bombe atomique

Aujourd’hui, cette arme destructrice fait trop peur. Elle est devenue une arme de " dissuasion " : elle décourage à l’avance tous les agresseurs possibles.

La bombe a déjà servi. Le 6 août 1945, l’armée américaine lâche une bombe atomique sur la ville d’Hiroshima au Japon. On compte 140 000 morts. Toutes les personnes qui se trouvaient dans un rayon d’un kilomètre du point d’impact de la bombe ont été tuées presque instantanément. Trois jours plus tard, c’est Nagasaki qui est la cible d’une bombe américaine. La brutalité de ces attaques a mis un point final à la seconde guerre mondiale.

En 1960, les deux pays les plus puissants de la planète, les Etats-Unis et l’URSS se livrent à une violente dispute à voix basse qu’on appelle la " guerre froide ". Pendant quarante ans, une paix très fragile a régné entre ces deux blocs. Dès qu’un des deux pays fabriquait de nouvelles bombes, l’autre ne tardait pas à en faire autant. On appelait cette situation l’ " équilibre de la terreur ".

2) Le danger des centrales : L’horreur de Tchernobyl

Le 26 avril 1986, le réacteur n°4 de la centrale de Tchernobyl, située en Ukraine, explose : des centaines de personnes meurent, des millions sont atteintes par de fortes radiations, et de grands espaces sont dangereusement pollués…Le bilan est terrible.

Aujourd’hui, le bâtiment est enterré sous un " sarcophage " d’acier et de béton. Mais, en dessous et autour, la radioactivité reste vivace. Il faudra des centaines d’années avant que la région ne retrouve une vie normale !

3) Les déchets radioactifs

L’homme sait faire paraître la radioactivité…Mais il ne sait pas la faire disparaître. C’est le délicat problème des nombreux déchets radioactifs crées par les utilisateurs du nucléaire. On ne sait pas quoi en faire !

Les objets ayant reçu des rayonnements nucléaires vont mettre des dizaines, des centaines, voire des milliers d’années à se révéler sans danger pour l’homme et son environnement.

Les hôpitaux, certaines industries mais surtout les centrales nucléaires produisent ces déchets radioactifs. L’homme les stocke en attendant que le temps agisse.

Certains déchets sont très toxiques. Ils ont été en contact direct avec l’uranium des réacteurs nucléaires : des outils, des gaines qui entouraient l’uranium…Ceux-là sont coulés dans du béton, enfermés dans des conteneurs en acier et à nouveau entreposés dans un site à l’air libre. Ils deviendront inoffensifs dans 10 000 ou 20 000 ans…

Ce sont les restes de la réaction en chaîne produite dans le réacteur nucléaire. Ils sont si brûlants qu’avant tout retraitement il faut les laisser refroidir dans une piscine d’eau pendant au moins deux ans.

Ensuite, on les coule dans du verre, le matériau le plus solide, et on cherche à les enterrer profondément dans une mine de sel ou de galeries de granite.

Ces déchets de catégories C mettront des dizaines de milliers d’années à perdre leur virulence. De plus, personne n’est sur qu’ils ne referont pas surface dans 100 ou 1000 ans, à cause d’un tremblement de terre par exemple. Ce serait alors une catastrophe pour les générations futures. C’est pourquoi les scientifiques travaillent actuellement à d’autres solutions.

Des savants américains proposent de mettre les déchets radioactifs à bord de fusées et d’envoyer le tout sur le soleil. Bien sur, ce n’est qu’une idée, à développer et à étudier avant de mettre en œuvre. Comme le soleil est lui-même une gigantesque bombe atomique, il aurait vite fait de les absorber et de les faire disparaître. Le risque est ailleurs…

Si la fusée explosait au décollage, elle produirait un beau champignon Atomique juste au-dessus de nos têtes !

Une forte irradiation par des rayonnements ionisants provoque des effets immédiats sur les organismes vivants, comme :

De 0 à 0.25 Grays : Pas de symptômes cliniques pathologiques clairement en relation avec l'irradiation.

De 0.25 à 1 Gray : Quelques nausées, légère chute du nombre de globules Blancs.

De 1 à 2.5 Grays : Vomissements, modification nette de la composition sanguine.

De 2.5 à 5 Grays : Dose mortelle pour une personne sur deux. L'hospitalisation est obligatoire.

Ce tableau donne les effets pour une irradiation sur tout le corps. Lors d'une radiothérapie, par exemple, les médecins peuvent délivrer jusqu'à 40 Grays sur la tumeur à traiter.

Les expositions à des doses plus ou moins élevées de rayonnements ionisants peuvent avoir des effets à long terme sou la forme de cancers et de leucémies.

Ces effets se manifestent de façon aléatoire (on ne peut pas les prédire pour une personne donnée.)

L'implantation d'une centrale nucléaire peut avoir une certaine influence sur l'environnement. Cette influence se manifeste dans différents domaines: impact esthétique, bruit, modification de la température du milieu, influence sur la vie aquatique.

Soigner l'environnement paysager autour des centrales nucléaires est l'une des contraintes fixée à EDF pour l'aménagement de ses sites. Sur chacun d'eux, les préoccupations esthétiques ont été prises en compte dès le stade de la conception par un collège d'architectes, de paysagistes et d'urbanistes travaillant sous la direction de l'architecte du site. Chaque étude d'impact tient compte de la configuration locale du paysage.

Ainsi, par exemple, les réfrigérants atmosphérique de la centrale de Saint-Laurent-des-Eaux sont conçus pour rester invisibles de la terrasse du château tout proche de Chambord. De même, les dômes de la centrale de Paluel, dissimulés dans la falaise du pays de Caux, ne sont visibles que de la mer.

Les centrales nucléaires ont des émissions sonores diverses. Certaines sont permanentes et proviennent du fonctionnement des aéroréfrigérants, des transformateurs et des groupes turbo-alternateurs, de la ventilation de certains équipements, ou encore des pompes de circulation de l'eau de réfrigération. D'autres sont intermittentes, elles ont pour origine la mise en oeuvre des diesel de secours, ou des soupapes de sûreté des circuits de vapeur. Des moyens sont mis en place pour lutter contre ces nuisances acoustiques. Des mesures sont effectuées, à l'intérieur et à l'extérieur des centrales, afin d'identifier les matériels à insonoriser. Des contrôles acoustiques sont également effectués, avant et après la mise en service des ouvrages, pour vérifier que le niveau sonore reste acceptable pour les riverains.

Lorsque la centrale est équipée d'aéroréfrigérants, l'eau de refroidissement perd sa chaleur à 20 % par convection au contact du courant d'air froid qui circule dans la cheminée, pour 80 % par évaporation. C'est cette convection qui donne lieu à la formation d'un panache de vapeur. De nombreuses études ont été réalisées pour mesurer l'influence des panaches sur le climat local: essais sur maquettes, observation photographiques, mesures météorologiques, prélèvement au sein même des panaches par avion spécialement équipé. Aucun effet significatif sur la température, les précipitations ou l'humidité du sol n'a été décelé. Le seul impact mesurable du fonctionnement d'un aéroréfrigérant est une réduction du degré d'ensoleillement de 5 % dans un rayon de 2 km autour de la centrale, et de 2 % à 5 km. Cette réduction est-elle même inférieure à la fluctuation naturelle de l'ensoleillement d'une année sur l'autre.

Les effluents hydrogénés de la centrale sont filtrés, puis stockés pour perdre de leur radioactivité, et contrôlés avant d'être rejetés dans l'atmosphère. De plus, dans le domaine de l'air, la surveillance de l'environnement de la centrale est assurée en permanence de quatre manières différentes:

- Par des mesures continues du rayonnement gamma ambiant, effectuées dans huit stations de contrôle dont quatre sont situées dans un rayon de 1 km, et 4 dans un rayon de 5 km autour de la centrale.

- Par un prélèvement et un contrôle quotidien des poussières atmosphériques recueillies en permanence dans les stations.

- Par une analyse régulière d'échantillons d'eau de pluie, prélevés à la station située sous vents dominants.

- Par des prélèvements systématiques d'herbe et de lait, effectués dans les exploitations agricoles installées au voisinage des centrales.

Les centrales nucléaires ont besoin d'une importante source d'eau froide pour fonctionner : l'eau de mer ou celle d'un fleuve, ou encore l'atmosphère dans le cas d'un circuit fermé. Lorsque le débit d'eau est important ( installations situées près d'un fleuve ou de la mer ), la réfrigération est assurée en circuit ouvert: la totalité de l'eau utilisée est restituée à sa source. Lorsque le débit est plus faible, la réfrigération s'effectue en circuit fermé: l'eau qui a servi est réutilisée. Dans ce cas, le volume d'eau prélevé est relativement faible et n'a que peu d'incidence sur le régime du fleuve.

Pour pouvoir être réutilisée dans les circuits de la centrale, l'eau du fleuve doit subir différents traitements physico-chimiques destinés à empêcher l'entartrage des circuits et la fixation dans les canalisations d'organismes parasites. Ces traitements donnent lieu à des rejets chimiques dont l'impact est extrêmement faible et très localisé. Plusieurs types de dispositions sont prises pour limiter l'impact de ces rejets sur l'environnement aquatique:

- Des dispositions réglementaires fixent les teneurs admissibles de l'eau en sels et en eaux de Javel.