[PDF] [PDF] Énergie nucléaire - International Nuclear Information System (INIS)

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ƒnergie nuclŽaire

Jean-Louis Basdevant, James Rich

et Michel Spiro L E S DITIO N S D E L C O L E P OLY T E C H N I Q U E

ÉCOLE POLYTECHNIQUE

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© ƒditions de lՃcole polytechnique - Janvier 2002

91128 Palaiseau Cedex

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Table desmatières

Introduction 11

1Quelques pointsderepère historiques . . ................. 12

2Etendue de la physique nucléaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3Découverte de la radioactivité....................... 15

1Conceptsdebasedelaphysiquenucléaire 29

1Lesnoyaux atomiques ........................... 29

1.1 Généralités . . . . . . . ...................... 29

1.2 Rayons nucléaires . . ........................ 32

1.3 Energies de liaison . ........................ 33

2Réactions nucléaires, lois de conservation ................ 37

2.1 Lois de conservation ........................ 37

2.2 Conservation de l"énergie etde l"impulsion totale. . . ...... 39

2.3 Conservation du moment cinétique. ................ 40

2.4 Nombres quantiques additifs et groupeU(1)........... 40

2.5 Symétries du Hamiltonien . . . . . . ............... 42

2.6 Bilan énergétique . . ........................ 42

3Etats excités des noyaux . . . ...................... 44

4Forces nucléaires . . . . . . . . ...................... 45

4.1 Aspects qualitatifs . . ....................... 46

4.2 Le potentiel de Yukawa et ses généralisations . . . . . . . . . . 47

4.3 Origine du potentiel de Yukawa . . ................ 48

5Indépendance de charge : l"Isospin .................... 50

5.1 L"indépendance de charge des forces nucléaires . . . . . . . . . 50

5.2 L"Isospin . ............................. 50

5.3 Origine de la symétrie d"isospin; différence de masse neutron-

proton . ............................... 55

6Noyauxdéformés . . ............................ 57

7Bibliographie . . .............................. 59

2Modèles nucléaires, stabilité des noyaux 61

1Modèledupotentiel nucléaire moyen................... 61

3

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4Table desmatières

2Laformuledemasse semi-empirique................... 67

2.1 La goutte liquide de Bohr . .................... 67

3Modèledugaz de Fermi . . ........................ 71

3.1 Energie de volume et énergiedesurface ............. 71

3.2 Energied"asymétrie ........................ 73

4Structure en couches des noyaux : nombres magiques . . . . . . . . . . 74

4.1 Nombres magiques . . . ...................... 74

4.2 Couplage spin-orbite et modèle en couches............ 78

4.3 Quelques conséquences de la structure en couchesdes noyaux . 80

5Radioactivité bêta . . . . . ........................ 83

6Répulsion coulombienne et radioactivitéα................ 85

6.1 Radioactivitéα........................... 86

6.2 Modèle de Gamow de l"émissionα................ 87

7Vallée de stabilité et désintégrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

8Bibliographie . . .............................. 91

3Explorationde la matière nucléaire 93

1Notiondesection efficace ......................... 93

1.1 Définitionde la section efficace .................. 93

1.2 Calcul classique ........................... 95

1.3 Découverte dunoyau . . ...................... 96

1.4 Généralités sur les sections efficaces . . . ............ 97

2Calculquantique . ............................. 98

2.1Probabilités de transition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

2.2 Fonctions tendant vers la distributiondeDirac ......... 99

2.3 Etats asymptotiques; normalisation des états . . . . . . . . . . 100

2.4 Passage à la limite du continu : section efficace de diffusion . . 101

3Formedessections efficaces . . . . . ................... 104

3.1 Forme générale . . . . . ...................... 104

3.2 Diffusion de deux particules dans l"approximation de Born . . . 105

4Explorationdessystèmescomposés.................... 108

4.1 Diffusion sur un état lié, facteurde forme . ........... 108

4.2 Diffusion sur une distribution de charges . . . . . . . . . . . . . 110

4.3 Distribution de charge dans lesnoyaux . . . ........... 112

4.4 Structure interne électrique et magnétique du proton et du neu-

tron................................. 114

4.5 Dissociation del"état lié . . . . . . . ............... 115

5Lesrésonances . .............................. 117

5.1 Section efficace résonante . .................... 117

5.2 Exemples de sections efficaces résonantes . . . . . . . . . . . . 120

5.3 Valeurs des sections efficacesrésonantes . ............ 120

6Bibliographie . . .............................. 121

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Table desmatières5

4Interactionsélectro-faibles, quarks et leptons 123

1Désintégrations, généralités . . . ..................... 123

1.1 Largeur naturelle, taux de branchement . . . . . . . . . . . . . 123

1.2 Calcul des taux dedésintégration . ................ 124

1.3 Espace des phases et désintégration en deux corps . . . . . . . 125

2Désintégrations radiatives......................... 126

2.1 Durées de vie atomiques...................... 126

2.2 CoeγcientsdEinstein . . ..................... 127

2.3 Radioactivitéγdes noyaux .................... 129

3Désintégrations faibles; constante de Fermi . .............. 131

3.1 Désintégration du neutron . .................... 131

3.2 Radioactivité bêta des noyaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

3.3 Désintégration du muon...................... 135

4Familles de quarks et de leptons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

4.1 Universalité des interactions faibles des leptons . . . . . . . . . 138

4.2 Les quarks . ............................ 139

4.3 Quasi-universalité des interactions faibles des quarks . . . . . . 142

4.4 Langlede Cabibbo . . . . . . . . ................. 144

4.5 Matrice de Cabibbo, Kobayashi et Maskawa . . . . . . . . . . . 145

4.6 Uni“cation Electro-Faible . .................... 146

4.7 Largeur duZ

0 et nombre de neutrinos . . . . . . . . . . . . . . 150

4.8 Conclusion ............................. 152

5Bibliographie . . .............................. 152

5Radioactivité, applications 155

1Généralités . . ............................... 155

2Eαetsdesrayonnements ionisants . .................... 157

2.1 Perte dénergie dune particule ionisée passant dans la matière 157

2.2 Pouvoir de ralentissement..................... 162

2.3 Electrons . ............................. 164

2.4 Photons . .............................. 165

3Comment doser la radioactivité? . .................... 165

4Applications de la radioactivité dans le domaine civil . . . . . . . . . . 167

4.1 Domaine agro-alimentaire..................... 167

4.2Domaine industriel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

4.3 Conservation du patrimoine artistique et culturel . . . . . . . . 169

4.4 La datation ............................. 169

4.5 Etudes relatives àlévolution du climat et de lenvironnement . 171

4.6 Etudes relatives à la sismologie et aux risques naturels . . . . . 171

5Eαetsbiologiques des rayonnements ionisants . ............. 171

5.1 Action des rayonnements ionisants sur la matière vivante . . . 172

5.2 Introduction aux eαets carcinogènes des radiations . . . . . . . 176

5.3 Les faibles doses.......................... 179

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6Table desmatières

6Bibliographie . . .............................. 183

6.1 Radioactivité . . . . . . ...................... 183

6.2 Effets biologiques des rayonnements ionisants . . . . . . . . . . 184

6La“ssion 185

1Energienucléaire . . ............................ 185

2Energiede fission . ............................. 186

3Produits de fission . . . . . . . ...................... 186

4Mécanisme de la fission, barrièredefission . ............... 189

5Matériauxfissiles et matériaux fertiles . . . ............... 192

6Réactions en chaîne, principe desréacteurs . . ............. 193

7Modérateur, ralentissement des neutrons................. 196

8Transport des neutronsdanslamatière ................. 198

8.1 Equation de transport....................... 198

8.2 Le modèle de Lorentz . ...................... 200

8.3 Divergence, masse critique . .................... 204

9Bibliographie . . .............................. 206

7Production dénergie électro-nucléaire 207

1Lesréacteursnucléaires.......................... 207

2Lesréacteursthermiques.......................... 208

3Lesréacteursdufutur . . . ........................ 214

3.1 European Pressurized Reactors .................. 214

3.2 La filière des réacteurs à neutrons rapides............ 216

4Réacteurs couplés à un accélérateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

4.1 La cible de spallation....................... 220

4.2 L"ensemble sous-critique . . . ................... 222

4.3 L"accélérateur de haute intensité . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

4.4Unprojet de réacteur hybride : le projet Rubbia . . . . . . . . 224

5Lecycleducombustible nucléaire . .................... 225

5.1 L"extraction du minerai...................... 225

5.2 La concentration . . . . ...................... 225

5.3 La fluoration............................ 226

5.4 L"enrichissement . . ........................ 227

5.5 La fabrication des assemblages . . . ............... 228

5.6 Le combustible après utilisation.................. 228

5.7 Déchargement, désactivation ettransport du combustible . . . 228

5.8 Le retraitement . . . . . ...................... 229

5.9 Le stockage des produits de fission . ............... 229

5.10 Le projet INCA ........................... 231

6Bibliographie . . .............................. 231

8Lafusion 233

1Réactions de fusion............................. 233

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Table desmatières7

1.1 Barrière coulombienne, énergie " thermonucléaire » . . . . . . 235

1.2Tauxderéaction dans un milieu . . . . . . . . . . . . . . . . . 237

1.3Chauffage et confinement du plasma . . . . . . . . . . . . . . . 238

1.4 Une condition nécessaire : le critère de Lawson . . . . . . . . . 239

2Lafusion par confinement magnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241

3Confinement Inertiel par Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244

3.1 Historique .............................. 246

4Bibliographie . . .............................. 248

9Elémentsdastrophysique nucléaire. 249

1Modèles cosmologiques . . . . . ...................... 249

1.1 Le Big bang . ............................ 249

1.2 La masse cachéede l"univers . . . . ............... 251

1.3 Un Universplat?.......................... 252

1.4 Nucléosynthèse primordiale et matière baryonique . . . . . . . 253

2LaphysiqueduSoleil ........................... 255

2.1 Structure du Soleil........................ 256

2.2 Naissance du Soleil . . ...................... 257

2.3 La régulation thermique miraculeuse d"un système autogravitant257

2.4 Réactions nucléaires . ....................... 258

3Astrophysique nucléaire.......................... 259

3.1 Classification des étoiles ...................... 260

3.2 La fin de la combustion actuelledu Soleil; Naines blanches . . 261

3.3 Processus explosifs . ........................ 262

3.4Taille d"équilibre d"une naine blanche . . . . . . . . . . . . . . 265

3.5 Etoiles à neutrons . . ....................... 267

4Nucléosynthèse............................... 269

5Bibliographie . . .............................. 271

Dossier : Données sur lénergie 273

1Quelques caractéristiques de l"énergie................... 273

1.1 Ordres de grandeur . . . ...................... 273

1.2 Dégradation............................. 274

1.3 Stockage . . . . . . . . . ...................... 274

1.4 Transport de l"énergie . ...................... 275

1.5 Réserves . . ............................. 275

1.6 Nuisances . ............................. 276

2Consommation d"énergie.......................... 276

2.1 Unités ................................ 276

2.2 Ordres de grandeur . . . ...................... 277

3Lesbesoinsenénergie ........................... 278

4Notionssurl"effet de serre . ........................ 280

4.1 La Terre : un système radiatif................... 280

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8Table desmatières

4.2 Manifestation de l"effet deserre . . . ............... 281

4.3 Modélisation naïve del"effet de serre . .............. 282

4.4 Discussion . ............................. 283

5Lesressources en énergie . . . . ...................... 284

6Bibliographie . . .............................. 286

Dossier : Des faibles doses aux grandes exagérations 287

1Effetsbiologiques des rayonnements ionisants et problématique des

faibles doses . . ............................... 288

1.1Quelques rappels sur les unités utilisées . . . . . . . . . . . . . 288

1.2 Historique des normes dela CIPR . ............... 289

1.3 Effets des rayonnements ionisants................. 290

1.4 Effets des faibles doses . . ..................... 291

2Ya-t-ilunrisque si l"on mange des champignons radioactifs? . . . . . 292

2.1 Les champignons, des aspirateurs à radioéléments. . . . . . . . 292

2.2Une sensibilité différente à la radioactivité. . . . . . . . . . . . 293

3Risquesbiologiques liés àl"utilisation d"uranium appauvri . . . . . . . 294

3.1 Présentation............................ 294

3.2 La vision de la presse....................... 295

3.3 Etude de la toxicité radiologique................. 296

3.4 Etude de la toxicité chimique.................... 298

4Uneopinion sur Tchernobyl? . . ..................... 300

4.1 La désinformation initiale. . .................... 300

4.2 Des ressemblances et des dissemblances troublantes. . . . . . . 301

4.3 Estimation de doses pour un Français. . . . . . . . . . . . . . . 303

5Bibliographie . . .............................. 304

6Annexes. . . . ............................... 306

6.1 Article du Figaro . . . . ...................... 306

6.2 Etude sur les champignons radioactifs . . . . . . . . . . . . . . 306

6.3 Articles du monde diplomatique................. 308

Dossier : La prolifération nucléaire 319

1Fonctionnement et fabrication d"unearme nucléaire........... 319

1.1 Les différents types d"armes . . .................. 319

1.2 Moyens nécessaire à leur réalisation . . . . ........... 322

2Lesmoyensde la prolifération - matières fissiles . . ........... 324

2.1 Obtention des matières fissiles . .................. 324

2.2 Les matières fissiles disponibles .................. 326

2.3 Non prolifération et paysduseuil................. 327

3Lerecyclage des armes démantelées . . . . . ............... 329

3.1 L"Uranium hautement enrichi................... 329

3.2 Le Plutonium . ........................... 329

4Cadrejuridique de lalutte contre la prolifération ............ 330

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Table desmatières9

4.1 Le traité de non prolifération................... 330

4.2 Les accords bilatéraux dedésarmement ............. 331

4.3 L"agence internationale à l"énergie atomique . . . . . . . . . . . 331

4.4 Traités divers relatifs aux essais nucléaires et aux zones dénu-

cléarisées . . . ........................... 331

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Introduction

Il ne faut pas uniquement intégrer. Il faut aussi désintégrer. C"estçalavie.C"est ça la philosophie. C"est ça la science.

C"est ça le progrès, la civilisation.

Eugène Ionesco, La Leçon.

Découverte de façon inopinée, ou presque, par Henri Becquerel au crépuscule du XIX e siècle, la physique nucléaire aura profondément marqué le XX e siècle. La for- mule dEinsteinE=mc 2 la symbolise dans limaginaire collectif 1 .Cette formule est

associée autant au génie dun homme quàla capacité que lhumanité a acquise de

sautodétruire. Lhumanité sest en“n interrogée sur son futur collectif. Le retraite-

ment et le stockage des déchets nucléaires,parexemple, nous porte à nous préoccuper de ce que nous aurons laissé à nos descendants dans des milliers dannées. La physique nucléaire a marqué le monde dans le domaine militaire et politique.

Larme nucléaire qui, à la diαérence de larbalète ou de la poudre à canon, na été

utilisée que deux fois en août 1945, a bouleversé léchiquier mondial et la politique internationale depuis lors. Dans la technologie, bien entendu, la production dénergie et les innombrables utilisations pratiques de la radioactivité, dans la médecine comme dans lart, lar- chéologie ou dans la recherche fondamentale, sont devenues des éléments familiers de la vie humaine. Mais ces technologies suscitent une indiscutable mé“ance. On préfère voirleur résultat plutôt que les manipuler. En1903, le troisième prix Nobel de physique était décerné pour moitié à Henri Becquerel, pour moitié à Pierre et Marie Curie, pour la découverte de la radioacti- 1 Atort,on le sait; cette formule vaut pour cuire un œuf aussi bien que dans une explosion de supernova. 11

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12Introduction

vité. Henri Becquerel avait découvert lephénomène, Pierre et Marie Curie en avaient montré l"importance et l"étendue. C"est Rutherford, prix Nobel de chimie 1908, qui,

en s"intéressant à ces phénomènes à partir de 1899, doit être considéré comme le fon-

dateur de la physique nucléaire proprement dite. On trouvera plus bas un récit de la découverte de la radioactivité et des premières questions qu"elle suscita.

1Quelques points de repère historiques

L"histoire de la physique nucléaire commence en 1896 avec la découverte de la radioactivité par Becquerel. Elle s"étend jusqu"à maintenant. Cette histoire peut être divisée en trois parties : la découverte du noyau et de ses propriétés fondamentales jusqu"en 1939, le développement de la spectroscopie nu-

cléaire et des modèles nucléaires de 1947 à 1960, l"émergence d"une théorie microsco-

pique unificatrice et l"identification de mécanismes fins, non-classiques, de 1958 à nos jours. Depuis la fin de la deuxième guerre mondiale, la science nucléaire a connu un essor

considérable, mais, même si elle s"était arrêtée en 1960 (voire en 1939), pratiquement

toutes ses applications, aussi bien technologiques qu"astrophysiques, existeraient au- jourd"hui. En effet, elles ne font appel qu"aux phénomènes connus à cette époque et peuvent se contenter d"interprétations théoriques élémentaires. C"estgrosso modoce qui nous concernera dans ce livre, même si bon nombre d"applications ou de découvertes que nous verrons sont toutes récentes. La chronologie des principales étapes de cette première phase est la suivante.

1868Classification périodique de Mendeleiev.

1895Découverte des rayons X par Rœntgen.

1896Découverte de la radioactivité par Becquerel.

1897Identification de l"électron par J.J. Thomson.

1898Séparation des éléments Polonium etRadiumpar Pierre et Marie Curie.

1908La charge + 2 de la particuleffiest mesurée par Geiger et Rutherford.

1911Découverte du noyau parRutherford, modèle " planétaire » de l"atome.

1913Théorie des spectres atomiques par Niels Bohr.

1914Mesure de la masse de la particuleffipar Robinson et Rutherford.

1928Théorie de la pénétration des barrières de potentiel par effet tunnel,

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Etendue de la physique nucléaire13

application à la radioactivitéα,parGamow, Gurney et Condon.

1929-1932Premières réactions nucléaires avec le cyclotron de Lawrence à Berkeley,

et l"accélérateur Van de Graaffpar Cockcroft et Walton.

1932Identification du neutron par Chadwick.

1934Découverte de la radioactivité artificielle par F. et I. Joliot-Curie.

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