Une réaction physique qui provoque un changement dans le noyau d’un atome est appelée une réaction nucléaire et l’énergie libérée lors de cette réaction est appelée énergie nucléaire.
La masse du noyau sert de source d’énergie nucléaire qui est libérée principalement sous forme de chaleur. Il existe deux types de réaction nucléaire. Ce sont :
i) la fission nucléaire
ii) la fusion nucléaire
Fission nucléaire
Le noyau lourd des atomes radioactifs comme l’uranium, le plutonium ou le thorium est bombardé par des neutrons de faible énergie qui divisent le noyau en noyaux plus petits. Ce processus est appelé fission nucléaire. Par exemple, lorsque des atomes d’uranium 235 sont bombardés par des neutrons, le noyau lourd de l’uranium se divise pour produire du baryum 139 et du krypton 94 avec l’émission de trois neutrons. Beaucoup d’énergie est également produite dans cette réaction parce que la masse est convertie en énergie.
De même, dans une réaction de fission nucléaire, des neutrons sont utilisés et produits également. Les neutrons produits dans la réaction de fission nucléaire conduisent à d’autres fissions de noyaux lourds et provoquent une réaction en chaîne. Si tous les neutrons produits lors de la fission de l’uranium 235 produisent d’autres fissions, la quantité d’énergie produite sera telle qu’elle ne pourra être contrôlée et entraînera une explosion appelée bombe atomique. Cependant, la réaction de fission nucléaire peut être contrôlée en utilisant des barres de bore car le bore peut absorber les neutrons.
Les réactions de fission nucléaire sont faites pour produire de l’électricité dans les centrales nucléaires.
Les centrales nucléaires utilisent les réactions de fission nucléaire pour produire de l’électricité et le combustible utilisé à cette fin est l’uranium 235.
Dans une centrale nucléaire, une réaction de fission est effectuée dans une cuve à pression en acier et à l’intérieur se trouve un réacteur nucléaire. Dans un réacteur nucléaire, des barres d’uranium 235 sont insérées dans un cœur en graphite. Le graphite est appelé modérateur car il contribue à ralentir la vitesse des neutrons afin qu’une réaction de fission appropriée ait lieu. Entre les barres d’uranium 235 sont placées des barres de bore qui aident à absorber les neutrons en excès et empêchent la réaction de fission nucléaire d’échapper à tout contrôle. Les barres de bore sont appelées barres de contrôle. Les barres nucléaires peuvent être levées à l’intérieur ou tirées à l’extérieur du réacteur selon la demande. Le réacteur nucléaire est enfermé dans une chambre en béton qui a un mur épais afin qu’il puisse absorber les radiations nucléaires.
Une centrale nucléaire ou une centrale atomique
Maintenant la chaleur produite en raison de la réaction de fission dans le réacteur est refroidie en utilisant du sodium liquide ou du gaz carbonique qui l’aide également à transférer vers l’échangeur de chaleur. Ici, avec l’aide du liquide de refroidissement, l’eau est convertie en vapeur. La vapeur produite est utilisée pour faire tourner des turbines et faire fonctionner des générateurs.
Une énorme quantité d’énergie thermique est produite lorsqu’une réaction de fission contrôlée a lieu dans un réacteur nucléaire. C’est pourquoi du sodium liquide est pompé en permanence dans les tuyaux fixés au réacteur. Le sodium aide à absorber la chaleur produite dans le réacteur. Ensuite, grâce à des tuyaux, le sodium extrêmement chaud passe dans l’eau de l’échangeur de chaleur. L’eau absorbe la chaleur du sodium chaud et bout pour former de la vapeur. Cette vapeur est ensuite envoyée à haute pression dans la chambre de turbine où se trouve une turbine. Cette vapeur fait alors tourner la turbine qui est ensuite reliée à son arbre et au générateur. Ainsi, lorsque la turbine tourne, son arbre tourne également et entraîne le générateur. Ce générateur aide à générer de l’électricité.
La vapeur usée qui sort de la chambre de turbine passe par le condenseur qui contient de l’eau et cette eau aide à refroidir la vapeur. Cette vapeur se transforme alors en eau et, par des tuyaux, est à nouveau envoyée vers l’échangeur de chaleur. Les déchets produits par la réaction de fission nucléaire de l’uranium 235 sont radioactifs et extrêmement nocifs pour l’environnement.
Les centrales nucléaires en Inde
Il existe sept centrales nucléaires en Inde. Ce sont :
i) la centrale atomique de Tarapur, Maharashtra
ii) la centrale atomique du Rajasthan, Rajasthan
iii) la centrale atomique de Madras, Tamil Nadu
iv) la centrale atomique de Kaiga, Karnataka
v) la centrale atomique de Kudankulam, Tamil Nadu
vi) Centrale atomique de Narora, Uttar Pradesh
vii) Centrale atomique de Kakrapar, Gujarat
Bombe nucléaire
Une bombe nucléaire est basée sur la réaction de fission nucléaire de l’uranium-235 et du plutonium-239. On laisse délibérément la réaction de fission devenir incontrôlable afin de produire une grande quantité d’énergie en un temps très court.
Les bombes atomiques basées sur la fission nucléaire de l’uranium-235 et du plutonium-239 ont été larguées sur les villes japonaises d’Hiroshima et de Nagasaki en 1945 pendant la Seconde Guerre mondiale. Cela a causé une énorme perte de vies humaines.
Relation masse-énergie d’Einstein
Selon Einstein, la masse est égale à l’énergie.
E = mc2
E est la quantité d’énergie produite
M est la masse détruite
C est la vitesse de la lumière dans le vide
Puisque la vitesse de la lumière est grande donc une quantité extrêmement grande d’énergie est produite même si une petite quantité de masse est détruite. De plus, si la masse est prise en kilogrammes (kg) et la vitesse de la lumière en mètres par seconde (m/s) alors l’énergie viendra en joules (J).
Donc, si un kg de masse d’une matière quelconque est détruit dans une réaction nucléaire alors la quantité d’énergie produite est :
E = mc2
E = 1 * (3 * 108)2
E = 9 * 1016 J
Unités d’énergie pour exprimer l’énergie nucléaire
L’unité SI d’énergie libérée dans les réactions nucléaires est l’électronvolt (eV) ou le million d’électronvolt (MeV). Et,
1 électron-volt = 1,602 * 10-19 joules
Et,
1 million d’électron-volt = 1,602 * 10-19 * 106 joules
1 MeV = 1.602 * 10-13 J
Valeur de l’unité de masse atomique en termes d’énergie
Puisque la masse absolue de l’unité de masse atomique est de 1,66 * 10-27 kg et la valeur exacte de la vitesse de la lumière est de 2,998 * 108m/s. Lorsque nous mettons ces valeurs dans l’équation d’Einstein, nous obtenons,
1 unité de masse atomique (u) = 1,492 * 10-10 J
Aussi,
1 unité de masse atomique (u) = 931 MeV
Fusion nucléaire
La signification de fusion est de joindre ou de combiner. Par conséquent, le processus dans lequel deux noyaux d’électrons légers sont combinés pour former un noyau lourd est la fusion nucléaire. Dans le processus de fusion nucléaire aussi une énorme quantité d’énergie est libérée.
Les noyaux des atomes sont chargés positivement et donc ils se repoussent. Donc pour combiner ou fusionner ces deux noyaux pour former un noyau lourd, il faut beaucoup d’énergie thermique et une pression élevée. Cela montre que la fusion nucléaire s’effectue en chauffant des atomes plus légers à une température extrêmement élevée et sous haute pression. Une certaine masse est également perdue dans ce processus qui donne une énorme quantité d’énergie.
Par exemple, lorsque des atomes de deutérium sont chauffés à une température extrêmement élevée sous haute pression, alors deux noyaux de deutérium se combinent pour former de l’hélium qui a un noyau lourd, un neutron est émis et beaucoup d’énergie est libérée.
Une réaction de fusion nucléaire est opposée à une réaction de fission nucléaire. L’énergie produite dans la réaction de fusion nucléaire n’a pas encore été contrôlée et est beaucoup plus importante que la réaction de fission nucléaire.
Bombe à hydrogène
Les réactions nucléaires qui se produisent à une température extrêmement élevée sont appelées réactions thermonucléaires. Cette réaction est utilisée pour produire des bombes à hydrogène qui provoquent une destruction massive. Des isotopes d’hydrogène, le deutérium (2H) et le tritium (3H), ainsi qu’un élément, le lithium-6, sont utilisés pour fabriquer une bombe à hydrogène. L’explosion d’une bombe à hydrogène se fait à l’aide d’une bombe atomique. En effet, lorsqu’une bombe atomique explose, sa réaction de fission produit une grande quantité de chaleur qui élève la température du deutérium et du tritium en quelques microsecondes. Ainsi, la réaction de fusion a lieu et la bombe à hydrogène explose en produisant une énergie énorme. La bombe à hydrogène provoque la destruction de la vie.
Avantages de l’énergie nucléaire
- Elle a produit une énergie énorme à partir d’une petite quantité de combustible (Uranium-235).
- Il n’est pas nécessaire de mettre le combustible encore et encore dans un réacteur nucléaire. Une fois que le combustible (Uranium-235) est mis dans le réacteur, il peut fonctionner pendant deux à trois ans d’affilée.
- Il ne produit pas de gaz comme le dioxyde de carbone ou le dioxyde de soufre.
Inconvénients de l’énergie nucléaire
- Les déchets des réacteurs nucléaires sont radioactifs et continuent à émettre des radiations nocives.
- Risque d’un accident dans les réacteurs nucléaires qui peut provoquer des fuites de matières radioactives.
- La disponibilité de l’uranium combustible est limitée.
- Le coût d’installation élevé d’une centrale nucléaire.
Image courtoisie : www.s4.thingpic.com
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