énergie

(bas latin energia, du grec energia, force en action)

Consulter aussi dans le dictionnaire : énergie
Cet article fait partie du dossier consacré à l'électricité.

Grandeur caractérisant un système physique, gardant la même valeur au cours de toutes les transformations internes du système (loi de conservation) et exprimant sa capacité à modifier l'état d'autres systèmes avec lesquels il entre en interaction. (Unité SI le joule.)

PHYSIQUE

L'énergie est l'un des concepts de base de la physique grâce à une propriété fondamentale : un système isolé a une énergie totale constante. Il ne peut donc y avoir création ou disparition d'énergie, mais simplement transformation d'une forme d'énergie en une autre ou transfert d'énergie d'un système à un autre.

ÉNERGIE CINÉTIQUE. TRAVAIL

En mécanique classique, une particule ponctuelle de masse m et de vitesse

 a, par définition, une énergie cinétique

. L'énergie cinétique totale d'un ensemble de particules est la somme des énergies de chacune des particules. Pour modifier l'énergie cinétique d'un objet de masse M, il faut modifier la vitesse de celui-ci et donc faire agir sur lui une force

. La variation d'énergie cinétique entre deux instants t1 et t2 est égale au travail de la force

au cours du déplacement M1M2 de l'objet entre t1 et t2 :

.
Le travail est moteur si l'énergie cinétique augmente et résistant en cas contraire.
Pour en savoir plus, voir l'article énergie cinétique

ÉNERGIE POTENTIELLE
Le travail dépend en général du chemin suivi pour aller de M1 à M2. Lorsqu'il ne dépend pas du chemin suivi, mais seulement des positions initiale et finale M1 et M2, on peut associer à

une fonction U(M), appelée énergie potentielle, dépendant de la position du point M et telle que le travail entre M1 et M2 soit égal à la variation de U :
W(M1 → M2) = U(M1) − U(M2).
À chaque type d'interaction correspond une énergie potentielle particulière : électrostatique, de gravitation, élastique, etc.
Pour en savoir plus, voir l'article énergie potentielle

ÉNERGIE MÉCANIQUE, CONSERVATION DE L'ÉNERGIE

Conservation de l'énergie mécanique
L'énergie mécanique est la somme de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle. Pour un système isolé, sans interaction avec d'autres systèmes, elle est constante au cours du temps. Au cours du mouvement, l'énergie cinétique peut se transformer en énergie potentielle et vice versa sans que leur somme ne change (exemple : pendule oscillant).
Toutefois, du fait de la résistance de l'air et des frottements du fil du pendule avec son axe, le mouvement du pendule oscillant (système non isolé) finit par s'amortir. Mais la perte d’énergie due aux frottements est aussi une énergie : elle se manifeste sous la forme de chaleur.

LA CHALEUR, FORME D'ÉNERGIE
La chaleur apparaît donc comme une limitation de l'énergie mécanique. Ce concept, qui va bien au-delà de la sensation physique (brûlure, par exemple), est très difficile à appréhender simplement – c'est l'un des sujets principaux de la thermodynamique. Ludwig Boltzmann, au xixe s., a donné une interprétation microscopique de la chaleur qui aide à comprendre le phénomène du frottement. Dans le modèle atomique d'un gaz contenu dans un récipient, les molécules sont animées d'un mouvement chaotique et aléatoire : elles s'entrechoquent et rebondissent sur les parois. Chacune d'elles a une vitesse et produit donc une énergie cinétique. À l'échelle macroscopique, ce gaz est constitué d'un nombre très grand de molécules, si bien que l'on observe et mesure des phénomènes qui ne sont que des moyennes statistiques de grandeurs corpusculaires. Par hypothèse, Boltzmann a identifié l'énergie cinétique moyenne des molécules avec la température ; celle-ci peut alors s'interpréter comme une mesure de l'agitation moléculaire, dite agitation thermique. La chaleur est produite par l'augmentation de la température, donc par l'augmentation d'agitation des molécules, ce qui se traduit par un accroissement de l'énergie cinétique de celles-ci. Ainsi, la chaleur est une des formes de l'énergie mécanique, mais, du fait qu'elle concerne une énergie mécanique microscopique et non macroscopique, c'est une énergie « dégradée », non directement utilisable sous forme de mouvement à l'échelle humaine.

ÉNERGIE ET RELATIVITÉ
En relativité, la loi de conservation de l'énergie demeure exacte, mais l'expression de l'énergie cinétique est modifiée : un objet de masse M se déplaçant à une vitesse v a une énergie

 ; où c est la vitesse de la lumière. Pour v = 0, l'énergie n'est pas nulle et vaut E0 = M c2, appelée énergie au repos ou énergie de masse. Cette relation, inconnue en mécanique classique, implique une équivalence entre masse et énergie, qui peuvent se transformer l'une dans l'autre : ce type de transformation est courant en physique nucléaire et en physique des particules. Une autre conséquence de la relation vitesse-énergie est l'impossibilité pour une particule de masse non nulle d'atteindre la vitesse de la lumière c, puisqu'il faudrait lui communiquer pour cela une quantité d'énergie infinie.

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Les effets biologiques des rayonnements


A forte dose, les rayonnements ionisants sont dangereux pour la santé. Les effets sont variables selon les individus, les doses et les sources d’exposition.

Publié le 1 juillet 2014
       

L'ÉTUDE DES EFFETS DES RAYONNEMENTS
Les effets des rayonnements ultraviolets du Soleil sont bien connus du grand public. Si, à faibles doses, ils paraissent assez inoffensifs, à forte dose, certains peuvent présenter des dangers. Par exemple, des expositions prolongées au Soleil provoquent des coups de soleil, des brûlures dues à la présence des rayonnements ultraviolets.
À long terme, elles peuvent même être la cause de cancers. Les rayonnements ionisants contribuent à une ionisation des molécules présentes dans les organismes vivants. Selon la dose reçue et le type de rayonnements, leurs effets peuvent être plus ou moins néfastes pour la santé. Deux approches sont utilisées pour étudier leurs différents effets biologiques : l’épidémiologie et l’expérimentation sur des molécules ou cellules d’organismes vivants. L’épidémiologie consiste à observer les effets sur des populations qui ont subi des irradiations d’origine naturelle ou artificielle (populations d’Hiroshima et Nagasaki, premiers radiologues et travailleurs dans les mines d’uranium…).


Les effets sont variables selon les individus, les doses et les sources d’exposition (interne ou externe).
MESURES DE LA RADIOACTIVITÉ

Mesure de la radioactivité
 
Le becquerel
Un échantillon radioactif se caractérise par son activité qui est le nombre de désintégrations de noyaux radioactifs par seconde se produisant en son sein. L’unité d’activité est le becquerel, de symbole Bq.
1 Bq = 1 désintégration par seconde.


Le Becquerel

Le gray
L’unité qui permet de mesurer la quantité de rayonnements absorbés – ou dose absorbée – par un organisme ou un objet exposé aux rayonnements est le gray (Gy).
1 gray = 1 joule par kilo de matière irradiée.

Le sievert
Unité de la dose équivalente et de la dose efficace, le symbole est Sv. Le sievert permet d’évaluer le risque d’effets biologiques au niveau d’un organe (dose équivalente) ou de l’organisme entier en fonction de la radiosensibilité de chaque tissu (dose efficace).
L’unité la plus couramment usitée est le millisievert, ou millième de sievert (voir le dossier pédagogique sur la radioactivité).


Par ailleurs, grâce à l’expérimentation, les chercheurs observent les dégâts et les perturbations engendrés par les rayonnements ionisants sur l’ADN (très longue molécule présente dans les cellules vivantes, support de l’information génétique). Ils analysent aussi les mécanismes de réparation qu’une cellule est capable de mettre en jeu lorsque son ADN a été détérioré. L’épidémiologie et l’expérimentation permettent de mieux connaître les effets des rayonnements ionisants afin de définir des règles et des normes de radioprotection et de soigner les personnes ayant subi des irradiations accidentelles.


LES EFFETS IMMÉDIATS
Une forte irradiation par des rayonnements ionisants provoque des effets immédiats sur les organismes vivants comme, par exemple, des brûlures plus ou moins importantes. La dose absorbée (en grays) est utilisée pour caractériser ces effets immédiats, consécutifs à de fortes irradiations (accidentelles ou thérapeutiques pour soigner un cancer). Par exemple, les radiothérapeutes utilisent la dose absorbée pour quantifier l’énergie délivrée dans les tumeurs qu’ils traitent par irradiation
(cf. le tableau des effets liés à une irradiation homogène). Pourtant lors d’une radiothérapie, les médecins peuvent délivrer localement des doses allant jusqu’à 40 grays sur la tumeur à traiter.

LES EFFETS À LONG TERME
Les expositions à des doses plus ou moins élevées de rayonnements ionisants peuvent avoir des effets à long terme sous la forme de cancers et de leucémies. Ces effets se manifestent de façon aléatoire (que l’on ne peut pas prédire pour une personne donnée). Les rayonnements alpha, qui sont de grosses particules (noyaux d’hélium), sont rapidement freinés lorsqu’ils pénètrent à l’intérieur d’un matériau ou d’un tissu vivant et déposent leur énergie localement. Ils sont donc, à dose absorbée égale, plus perturbateurs que des rayonnements gamma ou X, lesquels pénètrent plus profondément la matière et étalent ainsi leur dépôt d’énergie.
Pour rendre compte de la nocivité plus ou moins grande des rayonnements à dose absorbée égale, il a fallu introduire pour chacun d’eux un “facteur de qualité”. En multipliant la dose absorbée (en grays) par ce facteur, on obtient une mesure de l’effet biologique d’un rayonnement reçu que l’on appelle la dose équivalente.
L’unité de dose équivalente, utilisée pour mesurer l’effet des rayonnements sur les tissus vivants, est le sievert (Sv).
Cependant, le risque biologique n’est pas uniforme pour l’ensemble de l’organisme. Il dépend de la radiosensibilité de l’organe irradié et les spécialistes définissent une nouvelle dose, la dose efficace (aussi exprimée en sieverts) qui tient compte de ces différences de sensibilité des organes et définit le risque d’apparition à long terme d’un cancer dans l’organisme entier.

LES MODES D'EXPOSITION AUX RAYONNEMENTS
Selon la manière dont les rayonnements atteignent l’organisme, on distingue deux modes d’exposition : externe ou interne.
*         L’exposition externe de l’homme aux rayonnements provoque une irradiation externe. Elle a lieu lorsque celui-ci se trouve exposé à des sources de rayonnements qui lui sont extérieures (substances radioactives sous forme de nuage ou de dépôt sur le sol, sources à usage industriel ou médical…). L’exposition externe peut concerner tout l’organisme ou une partie seulement de celui-ci. Elle cesse dès que l’on n’est plus sur la trajectoire des rayonnements (cas par exemple d’une radiographie du thorax).
*         L’exposition interne est possible lorsque des substances radioactives ont pu pénétrer à l’intérieur de l’organisme par inhalation, ingestion, blessure de la peau et se distribuent dans l'organisme. Celles-ci provoquent une irradiation interne et on parle alors de contamination interne. Cette dernière ne cesse que lorsque les substances radioactives ont disparu de l’organisme, après un temps plus ou moins long par élimination naturelle et décroissance radioactive (voir le dossier pédagogique sur la radioactivité) ou grâce à un traitement.

Les rayonnements peuvent affecter le corps humain par irradiation externe ou interne. © Yuvanoe/CEA

La décroissance radioactive est la suivante :
*         pour l’iode 131 (131I) : 8 jours ;
*         pour le carbone 14 (14C) : 5 700 ans ;
*         pour le potassium 40 (40K) : 1,3 milliard d’années.

Tous les radioéléments ne sont pas éliminés naturellement (urines…) à la même vitesse. Certains peuvent s’accumuler dans des organes spécifiques (os, foie…) avant d’être évacués du corps. Pour chacun des éléments radioactifs, on définit, en plus de sa période radioactive, une période biologique, temps au bout duquel la moitié de la masse d’une substance a été éliminée de l’organisme par des processus physiologiques.
On définit également une période effective pour un radionucléide donné. Celle-ci est fonction de la période physique et de la période biologique : c’est le temps nécessaire pour que l’activité du radionucléide considéré ait diminué de moitié, dans le corps, après correction de la décroissance radioactive du radionucléide.

L'EXPOSITION DE L'HOMME AUX RAYONNEMENTS
Pour en savoir plus

*         Tableau des sources d'exposition et leur effet

Pour apprécier à leur juste valeur les risques liés aux rayonnements ionisants, il est nécessaire de regarder l’exposition naturelle à laquelle l'Homme a été soumis. Tous les organismes vivants y sont adaptés et semblent capables de corriger, jusqu’à un certain degré, les dégâts dus à l’irradiation.

Qu’ils soient d’origine naturelle ou artificielle, les rayonnements ionisants produisent les mêmes effets sur la matière vivante.
En France, l’exposition annuelle de l’homme aux rayonnements ionisants est d’environ deux millisieverts. En plus de cette radioactivité naturelle, nous sommes exposés à des rayonnements provenant de sources artificielles. Ces rayonnements sont du même type que ceux émis par des sources naturelles et leurs effets sur la matière vivante sont, à dose égale, identiques. Ce sont essentiellement les radiographies médicales ou dentaires. Moins de 1 % provient d’autres sources comme les retombées des essais aériens des armes nucléaires et les retombées de l’accident de Tchernobyl.

L'EXPOSITION NATURELLE

De l'atome à la radioactivité

Les rayonnements ionisants émanant de sources naturelles ont des origines diverses et se répartissent en trois principaux types :
*         les rayonnements cosmiques
Ils proviennent de l’espace extra-terrestre et en particulier du Soleil. En Europe, ils se traduisent, pour tous ceux qui vivent à une altitude voisine du niveau de la mer, par une irradiation moyenne d’environ 0,30 millisievert par an. Lorsqu’on s’élève en altitude, l’exposition aux rayonnements augmente ;
*         les éléments radioactifs contenus dans le sol
Il s’agit principalement de l’uranium, du thorium ou du potassium. Pour chacun de nous en France, ces éléments provoquent une irradiation moyenne d’environ 0,35 millisievert par an. Il faut noter que dans certaines régions de France et du monde, dont le sol contient des roches comme le granit, ces irradiations sont plus fortes ;
*         les éléments radioactifs naturels que nous absorbons en respirant ou en nous nourrissant
Des émanations gazeuses de certains produits issus de la désintégration de l’uranium contenu dans le sol tels que le radon, ou le potassium des aliments dont nous fixons une partie dans notre organisme provoquent chez chacun d’entre nous, en moyenne, une irradiation de 1,55 millisievert par an. La principale source d’irradiation naturelle est le radon 222, gaz naturel radioactif. Elle représente environ un tiers de l’irradiation reçue et augmente dans les régions granitiques.

L'EXPOSITION ARTIFICIELLE
Pour chaque habitant, l’exposition annuelle moyenne aux sources artificielles d’irradiation est d’environ 1 millisievert. Celles-ci sont en moyenne principalement :
*         les irradiations médicales
La dose efficace moyenne du fait des examens radiologiques à visée diagnostique (comme les radiographies médicales, dentaires et les scanners…) dépasse 1 mSv par an et par habitant ;
*         les activités industrielles non nucléaires
La combustion du charbon, l’utilisation d’engrais phosphatés, les montres à cadrans lumineux de nos grands-pères entraînent une irradiation de 0,01 millisievert par an ;
*         les activités industrielles nucléaires
Les centrales nucléaires, les usines de retraitement, les retombées des anciens essais nucléaires atmosphériques et de Tchernobyl, etc., exposent chaque homme à 0,002 millisievert par an.

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Muon et méson B : ces deux particules qui bousculent la physique

Par Fabrice Nicot le 01.08.2021 à 08h00

Futur Big Bang en vue dans la physique de la matière ? Des expériences menées sur le muon et le méson B révéleraient des anomalies incompatibles avec le modèle standard qui régit le comportement des particules élémentaires.

Composé d'un quark et d'un antiquark, le méson B se désintègre de deux façons équiprobables, selon le modèle standard de la physique des particules. Pourtant, l'une des voies de désintégration semble dominer l'autre.

MEHDI BENYEZZAR POUR SCIENCES ET AVENIR LA RECHERCHE
Cet article est issu du magazine Sciences et Avenir- La Recherche n°893/ 894 daté juillet- août 2021.

Joli printemps pour la physique des particules. Coup sur coup, deux résultats ont mis en émoi la communauté des chercheurs. Deux anomalies qui, si elles étaient confirmées, bouleverseraient toute la physique de la matière. À la clé ? de nouvelles particules, voire de nouvelles forces… Le premier résultat est venu de l'expérience LHCb qui se déroule au sein du collisionneur installé sous la frontière franco-suisse, à Genève, le Large Hadron Collider (LHC). Son objectif : étudier les désintégrations rares des mésons, des particules constituées d'un quark et d'un antiquark. Une première étude, soumise à la revue Nature Physics le 22 mars, concerne un membre de la famille méson, le "B ». "Le méson B se désintègre en un cocktail de particules contenant soit une paire électron-positon, soit une paire muon-antimuon, explique Yasmine Amhis, physicienne à l'université Paris-Saclay et membre de l'expérience LHCb . Avec une probabilité de 50-50, nous dit la théorie. Or, de premiers résultats indiquent que la voie électron-positon serait privilégiée."

MOMENT MAGNÉTIQUE : Grandeur physique issue du mouvement de rotation sur elles-mêmes de particules chargées électriquement. Il traduit leur sensibilité à un champ magnétique extérieur.

QUARK : Au nombre de six, ces particules élémentaires s'associent pour former des hadrons (neutrons et protons). Son antiparticule est nommée antiquark.

POSITON : Particule d'antimatière, double inversé de l'électron : de même masse, il possède en revanche une charge électrique opposée.

La probabilité d'erreur n'est que d'une sur 40.000

L'autre anomalie, éventuellement sans rapport avec la précédente, affecte le muon, ce cousin de l'électron, 200 fois plus massif que lui. L'expérience Muon g-2, qui se déroule au Fermilab, près de Chicago (États-Unis), a mesuré son moment magnétique. Et là encore, selon un article paru le 7 avril dans Physical Review Letters, il ne correspondrait pas à ce que la théorie avait annoncé. Cela confirme des mesures remontant à 2004, et qui avaient déjà jeté le trouble dans la communauté des physiciens. "Ces deux résultats sont très importants, mais ils doivent encore être confirmés, tempère Yasmine Amhis. Concernant les mésons B, il y a une chance sur mille que ce résultat soit dû à une fluctuation statistique. Pour être affirmatif, cette probabilité devra atteindre une chance sur 1,7 million. Il faut donc continuer à dépouiller les mesures." Concernant le moment magnétique du muon, la probabilité d'une erreur n'est plus que d'une sur 40.000.

S'il est trop tôt pour crier victoire, cela n'empêche donc pas d'espérer. Mais espérer quoi au juste ? "Les propriétés des muons, comme des mésons, et de tout ce qui compose la matière sont prédites par le modèle standard de la physique des particules, rappelle Yasmine Amhis. Notre objectif, c'est de le titiller afin de le prendre en défaut. De découvrir ses limites. Ces deux anomalies pourraient signifier que nous n'en sommes pas loin." Le modèle standard, élaboré à l'orée des années 1970, regroupe les 17 particules dites élémentaires, car a priori insécables. Elles constituent les briques d'un jeu de construction permettant de créer tous les atomes existant dans l'Univers. Certaines de ces briques sont des particules de matière, et d'autres de rayonnement, nommées bosons. Cela signifie qu'elles portent les forces qui lient les particules entre elles. Par exemple, l'interaction forte assure la cohésion du noyau des atomes. Elle est portée par les bien nommés gluons. L'interaction électromagnétique, à l'origine des forces électrique et magnétique, est véhiculée par les photons. Il existe trois interactions fondamentales en tout, plus l'interaction gravitationnelle qui échappe toujours à une description par la physique des particules.
Avant de s'intéresser à ses limites, il faut d'abord reconnaître l'extraordinaire robustesse du modèle standard. Non seulement il offre une description précise du comportement des particules élémentaires, mais il a permis de prédire l'existence de nouvelles, avant même que l'on ne soit capable de les produire. La plus célèbre est le boson de Higgs, imaginé en 1964 par les théoriciens Robert Brout, François Englert et Peter Higgs, et finalement observé au LHC en 2012. Alors, pourquoi tenter d'égratigner un si bel édifice ? "Le modèle standard décrit très bien la matière classique et ses interactions, confirme Olcyr Sumensari, physicien théoricien au sein du Laboratoire de physique des 2 infinis Irène Joliot-Curie (IJCLab), à Orsay (Essonne). Mais nous savons grâce au modèle standard de la cosmologie qu'elle ne représente que 5 % de tout ce qui compose l'Univers. Or, il ne dit rien sur la matière noire (25 %), ni sur l'énergie noire (70 %) à l'origine de l'accélération de l'expansion de l'Univers. De même, il prévoit que les neutrinos, les particules les plus abondantes dans l'Univers, émises lors de processus radioactifs, sont dépourvus de masse. Or nous avons découvert en 1998 qu'ils en avaient une, bien que beaucoup plus petite que celles des autres particules connues. Le modèle standard semble donc solide, mais on peut le voir comme le socle d'une théorie plus fondamentale que nous ne maîtrisons pas encore. Le grand enjeu aujourd'hui est d'essayer de trouver des indices expérimentaux qui nous aideraient à formuler cette théorie." Mais remettre en question le modèle standard est lourd de conséquences. Comme le souligne Yasmine Amhis : "Nous pouvons trouver d'autres particules de matière, mais aussi d'autres particules de rayonnement. Ce qui signifierait mettre au jour… une nouvelle force !"

À la recherche des particules inconnues
De ce point de vue, l'anomalie du moment magnétique du muon pourrait être particulièrement éclairante. Si la valeur mesurée ne correspond pas à celle prévue, cela signifie que le muon est chahuté par d'autres particules qui peuplent le "vide". Car dans l'infiniment petit, le vide ne l'est jamais. Comme la surface de l'océan est parcourue de vagues formant parfois des gouttes, le vide est agité sans cesse par des particules qui jaillissent d'une "mer" d'énergie emplissant tout l'espace, puis se désintègrent. Quelles sont les particules qui perturbent ainsi le muon ? "Pour calculer son moment magnétique, toutes les interactions avec des particules connues ont été envisagées. Si cet écart entre la théorie et la mesure est confirmé, alors les perturbations viennent nécessairement de particules inconnues", déduit Olcyr Sumensari. La mesure ne semble pas remise en cause. Et s'il fallait plutôt revoir la prédiction, le calcul théorique étant très délicat à mener ?

Or, en même temps que le Fermilab publiait son résultat, une équipe internationale de théoriciens réunie au sein de la collaboration "Budapest-Marseille-Wuppertal" publiait justement une nouvelle valeur théorique du moment magnétique compatible avec les mesures ! Cette nouvelle approche fait en ce moment même l'objet d'intenses vérifications. Côté expérimentation, une mesure du moment magnétique avec une méthode différente du Fermilab, devrait avoir lieu au Proton Accelerator Research Complex, au Japon, d'ici à 2025. Côté mésons B, la valeur théorique n'est, cette fois, pas mise en doute : ce sont les mesures qui demandent à être confirmées. Non seulement le dépouillement de celles prises au LHC se poursuit, mais une autre expérience sur les désintégrations des mésons B, Belle II, se déroule en ce moment même au Japon. Si elle confirme les résultats du LHCb, alors les théoriciens ont déjà quelques idées pour les expliquer… "On peut imaginer une particule très massive, surnommée leptoquark, qui interagirait davantage avec les muons qu'avec les électrons, explique Olcyr Sumensari . Cela peut être aussi la manifestation d'une cinquième force, portée par un boson nommé Z', et qui agirait là encore davantage sur les muons que sur les électrons. Dans les deux cas, ce serait une révolution, car muons et électrons sont identiques pour les forces décrites par le modèle standard. Il n'y a pas de raison théorique pour expliquer une telle différence de comportement." Non seulement le dépouillement se poursuit au LHC, mais d'autres publications sont attendues sur les désintégrations de différents types de mésons, une grande famille ! "Avec LHCb, nous étudions aussi les mésons B+, B0, lambda b… Nous espérons publier au moins un résultat supplémentaire avant la fin de l'année. Et d'autres suivront l'an prochain", confirme Yasmine Amhis. Avec l'espoir que les mésons, comme les muons, confirmeront leur comportement étrange, ouvrant les portes vers une nouvelle physique des particules.

Vers les accélérateurs du futur

Pour découvrir de nouvelles particules, il faut générer des collisions de plus en plus puissantes, afin d'atteindre des domaines d'énergie encore largement inexplorés. Pour imaginer ces collisionneurs du futur, les scientifiques européens du domaine ont lancé, le 1er mai, le projet I.FAST. Doté d'un budget de 18,7 millions d'euros financé par l'Union européenne, il réunira 48 organismes de 14 pays et sera coordonné par le Cern, à Genève. "Cette collaboration entre physiciens des accélérateurs existe de longue date, explique Jean-Luc Biarrotte, qui représente le CNRS au sein d'I.FAST. En revanche, le fait qu'elle accueille à présent les industriels du domaine est nouveau et prometteur." Parmi les technologies qui vont devoir évoluer, les aimants supraconducteurs figurent en bonne place. Ainsi, le Futur collisionneur circulaire (FCC), un anneau de 100 km qui pourrait succéder un jour au LHC, sur le même site, aura besoin d'aimants de 16 teslas, soit deux fois plus que ceux du LHC. "Pour l'instant, nous ne savons pas faire, constate Jean-Luc Biarrotte. Développer de tels aimants demandera des matériaux supraconducteurs d'un type nouveau." Autre chantier : les collisionneurs de muons. Ces particules étant 200 fois plus massives que les électrons, elles pourraient être utilisées pour le développement de collisionneurs de très haute énergie relativement compacts. "Mais dans ce domaine, tout reste à inventer ou presque : l'usine à muons, la formation d'un faisceau utilisable, puis son accélération qui doit être hyperrapide car ce sont des particules de très courte durée de vie… Ce type de collisionneurs ne verra sans doute pas le jour avant 2050."


Observer des particules parfois très fugitives nécessite de disposer d'assez d'énergie pour les créer lors de collisions entre particules stables. D'où la course au gigantisme des collisionneurs (en orange). Leurs performances sont encore loin d'atteindre les niveaux d'énergies en jeu lors du Big Bang, il y a 13,8 milliards d'années, où selon certaines hypothèses, toutes les forces de la physique étaient fondues en une seule. Crédit : BRUNO BOURGEOIS

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Le cycle du combustible nucléaire

Publié le 11 mars 2016
       
Le cycle du combustible correspond aux différentes étapes d’extraction, fabrication, retraitement puis recyclage du combustible des centrales nucléaires. Son retraitement permet de récupérer l’ensemble des matières réutilisables et de réduire en parallèle le volume et la toxicité des déchets. Présentation des grandes étapes et des avantages de ce cycle.
Le combustible nucléaire est la matière dont on extrait l’énergie dans un réacteur grâce à la réaction de fission. Celle-ci consiste à « casser » le noyau des atomes en les bombardant de neutrons. Le combustible utilisé dans les réacteurs nucléaires est composé d’uranium, un élément naturel qui nécessite plusieurs étapes de préparation.

EXTRACTION ET CONCENTRATION
L’uranium est naturellement présent dans certaines roches, une roche peut contenir jusqu’à 200 kg d’uranium par tonne. Une fois extrait de la roche, l’uranium doit être dissous puis traité chimiquement pour obtenir une poudre jaune : le yellow cake.
Inconvénient : seule une petite partie (0,7 %) de l’uranium naturel peut produire une réaction de fission, c’est l’isotope 235 ou uranium 235. Le reste du minerai (99,3 %) est composé d’uranium 238, non fissile.

CONVERSION ET ENRICHISSEMENT
Pour qu'une réaction de fission en chaîne soit possible, la concentration en uranium 235 doit représenter entre 3 et 5 % du combustible. Le combustible doit donc être enrichi. Il faut d’abord convertir le yellow cake en gaz, puis le transférer vers des centrifugeuses qui utilisent la faible différence de masse entre les isotopes 235 et 238 pour les séparer en deux flux :
*         l’uranium « enrichi »  qui sert à la fabrication du combustible ;
*         l’uranium « appauvri » entreposé sous forme solide, en vue d’une utilisation future dans les réacteurs nucléaires de 4e génération.


FABRICATION DU COMBUSTIBLE
L’uranium gazeux enrichi est converti en poudre d’oxyde d’uranium (UOX), une forme particulièrement stable. Cette poudre est comprimée en pastilles de 7 grammes, empilées dans des tubes métalliques en alliage de zirconium, le tout forme des « crayons de combustible ». D’une hauteur de 4 mètres, ces crayons sont ensuite réunis en faisceaux pour constituer des « assemblages de combustible » qui sont ensuite acheminés vers les réacteurs nucléaires.

    Le cycle du combustible nucléaire

* CHAPITRES            Introduction
*         1 : Extraction et concentration
*         2 : Conversion et enrichissement
*         3 : Fabrication du combustible
*         4 : Utilisation en réacteur
*         5 : Séparation des éléments
*         6 : Recyclage des matières
*         7 : Conditionnement des déchets ultimes
        Le cycle des systèmes du futur    VOIR DANS LA MÉDIATHÈQUE     

UTILISATION EN RÉACTEUR
L’assemblage de combustible est introduit dans le cœur du réacteur au sein duquel règne un intense flux de neutrons. « Cassés » par les neutrons, les atomes d’uranium 235 contenus dans le combustible libèrent alors une grande quantité d’énergie, sous forme de chaleur, évacuée du réacteur par un premier circuit d’eau sous pression, dont la température s’élève ; la chaleur est ensuite transférée par des échangeurs à un circuit secondaire où l’eau se transforme en vapeur, qui actionne des turbines et permet de produire de l’électricité.

SÉPARATION DES ÉLÉMENTS
Après 4 années d’utilisation, le combustible, dit « usé », est retiré du réacteur. Il se compose alors de 96 % de matières valorisables (réutilisables) et de seulement 4 % de déchets ultimes (éléments non réutilisables, issus de la fission de l’uranium et pour la plupart très radioactifs.).
Après une période d’entreposage en piscine de refroidissement (pour faire décroître la radioactivité et la chaleur émise), le combustible usé est traité dans l’Usine Areva de La Hague. Il est notamment dissous et mis en présence de molécules extractantes, conçues pour isoler des éléments spécifiques. Ce traitement permet de séparer les matières valorisables des déchets.


RECYCLAGE DES MATIÈRES VALORISABLES
L’uranium extrait du combustible usé peut ensuite être ré-enrichi. Une autre matière, appelée plutonium, qui s’est formée dans le réacteur, est recyclée sous la forme d’un nouveau combustible appelé MOX. Ce combustible est actuellement employé dans le tiers des réacteurs du parc nucléaire français, et produit environ 10% de notre électricité.

Dans les réacteurs actuels, le combustible ne peut être recyclé efficacement qu’une seule fois. Après cette seconde vie, Il est donc entreposé en piscine dans l’attente de nouveaux recyclages, réalisables dans une nouvelle génération de réacteurs (les réacteurs à neutrons rapides, dits de  « 4e génération »).

CONDITIONNEMENT DES DÉCHETS ULTIMES
Les déchets ultimes sont piégés dans une matrice de verre : c’est le procédé de vitrification. Mélangés à haute température avec une pâte vitreuse, ils sont ensuite coulés dans des conteneurs en inox et entreposés en puits, en attendant d’être stockés dans une installation dédiée.  

Conformément à la loi de juin 2006, le stockage en formation géologique profonde (projet Cigéo) est la solution de référence pour la gestion de ces déchets radioactifs à vie longue. Il vise à les placer dans un site géologique profond, particulièrement stable et apte à procurer  leur confinement à très long terme (jusqu’à ce que leur radioactivité soit ramenée à un niveau très faible). Le stockage est dit réversible car il prévoit la possibilité de reprendre les déchets si cela s'avérait opportun.

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