ATOMES

Atomes

Sébastien Lauwers

25 septembre 2020

update 29 mai 2021

Introduction

Dans cet article je défendrai principalement une intention de vulgarisation. Malgré cette simplicité j'utiliserais quelques notions mathématiques simples afin de faciliter la compréhension réelle des sujets traités. Néanmoins si cet aspects vous rebute, il vous suffira de passer les démonstrations, sans que cela n'affecte le fond de l'article.

L'énergie nucléaire est la source d'énergie décarbonnée et non renouvelable la plus controversée. Elle est bonne pour réduire les émission de gaz à effet de serre, mais elle produits des résidus nécessitant un entreposage sur une durée extrêmement longue. Le lien entre le nucléaire civil et militaire augmente les amalgames et les craintes issus de divers groupes de la société civile comme les ONG, ou politique sur toute la planète. Néanmoins certains experts de l'environnement sont d'avis que seule l'énergie nucléaire (dans un mix énergétique incluant d'autres formes de sources d'énergie renouvelables) nous permettra de nous affranchir des énergies fossiles. Un autre point ne facilitant pas la construction de nouvelles centrales à fission nucléaire est leurs couts de fabrications de plus en plus élevés.

Prologue

C'est en 1766 qu'est né John Dalton à Cockermouth (Angleterre), dans une famille de tisserand religieux et pauvre. Élève brillant, il est suffisamment précoce pour être capable de lire, vers l'âge de 12 ans, les principia de Newton en latin original. En 1808 il publia un livre intitulé A new System of Chemical Philosophy, ou dans un des chapitres les lecteurs purent rencontrés pour la premières fois les Atomes.

credit : museum of science and industry

Abstrait

Prologue

Le 8 novembre 1895, dans la pénombre de son laboratoire, le physicien Wilhelm Conrad Röntgen découvre fortuitement que la décharge de rayons cathodiques dans un tube de Hittorf produit un rayonnement invisible qui rend fluorescent un morceau de carton recouvert de platino-cyanure de baryum. Le 22 décembre, il radiographie la main de son épouse, Anna Bertha. Le 28 décembre, il présente une communication provisoire de sa découverte et des propriétés de ces rayons invisibles à la Physikalisch-Medizinische Gesellschaft de Würzburg. Röntgen baptise « rayons X » ce rayonnement d’une nature inconnue. Transmise par la grande presse allemande, telle une traînée de poudre, la nouvelle fait le tour du monde. L’expérience est immédiatement reproduite par deux médecins français. La plus grande révolution scientifique de tous les temps commence. Röntgen sera le premier lauréat du prix Nobel de physique en 1901.

Le relais est pris à Paris le 20 janvier 1896, lors de la séance hebdomadaire de l’Académie des sciences. Le mathématicien Henri Poincaré (1854-1912), qui les a reçus, présente la communication et les tirages des clichés de Röntgen à ses collègues stupéfaits. Le 30 janvier, il émet l’hypothèse suivante : « Ne peut-on pas alors se demander si tous les corps dont la fluorescence est suffisamment intense n’émettent pas, outre des rayons lumineux, des rayons X de Röntgen, quelle que soit la cause de leur fluorescence ? »
On sait depuis longtemps que l’hypothèse de Poincaré était fausse…

Parallèlement, à Paris 1896, Henri Becquerel oublia dans un tiroir un morceau de sel d'uranium dans son emballage. Plus tard lorsqu'il le ressortit, il fut surpris que l'uranium ait impressionné ce dernier. Conclusion de Becquerel, l'uranium émet des rayons d'une certaine nature...

Néanmoins le scientifique qu'il était ne pouvait ignorer cette découverte inattendue. Fait étrange, rétrospectivement, il confia le problème à l'une de ces étudiante, qui était une récente émigrée Polonaise, appelée Marie Curie. C'est avec son mari, Pierre Curie, qu'elle découvrit que certains types de roches émettent des quantités constantes et remarquables d'énergie, et cela sans perdre de poids et sans modifications détectables. Ce n'est que dix ans plus tard, grâce à Einstein, que l'on appris que ces morceaux de roches convertissent leurs masses en énergie d'une façon extraordinairement efficace. La scientifique baptisa cet effet " radioactivité", et avec son mari en isolèrent deux nouveaux éléments qu'ils nommèrent le Polonium et le Radium. Quelques années plus tard, en 1903, le couple reçurent le prix Nobel de physique.
Pendant ce temps là, à Montréal, un jeune Néo-Zélandais s'intéressait fortement à ces nouveaux matériaux radioactifs, qui n'était autre qu' Ernest Rutherford. Rutherford avec l'aide de son collègue, Frederick Soddy, découvrit que ces toutes petites quantités de matières contenaient d'immenses réserves d'énergie, et que la Terre doit sans doute l'essentiel de sa chaleur à la désintégration de ces réserves. Ils découvrirent aussi que les éléments radioactifs se désintégraient en d'autres éléments - un jour un atome d'uranium et un autre un atome de plomb. Rutherford remarqua qu'il fallait toujours le même laps de temps à un de ces échantillons radioactifs pour que la moitié se désintègre - la demi-vie - et que cette vitesse de désintégration régulière pouvait être utilisée comme une sorte "d'horloge". Il remarque au cours de ses expériences qu'un fragment de pechblende - principal minerai de l'uranium - que si il calculait à rebours la quantité de radiation émise par le matériau et sa vitesse de désintégration, on pouvait obtenir son âge. En l'occurrence 700 millions d'années - notons qu'a l'époque la plupart des gens pensaient que la Terre était bien plus jeune (24 millions d'années par Lord Kelvin). En 1904 Rutherford se rendit à la Royal Institution de Londres pour donner une conférence sur sa récente découverte. Par la suite, en 1910 au sein du labo Cavendish, aidé de son étudiant Hans Geiger, il bombarda une feuille d'or d'atomes d'hélium ionisés, aussi appelé particule alpha. A sa surprise, certaines particules rebondirent. Il conclut que, ces particules frappaient quelque chose de petit et dense au cœur de l'atome, alors que les autres le traversaient sans y rencontrer d'obstacle. Un atome est essentiellement de l'espace vide avec un noyau hyper dense en son centre.

L'un des collaborateur de Rutherford n'était autre qu'un certain Niels Bohr, qui lorsqu'il s'interrogeait sur la structure de l'atome, eut une illumination qui aboutit à la conclusion que, les électrons ne tombent pas dans le noyau, parce qu'ils n'occupent que certaines orbites bien définies. Concrètement, un électron se déplaçant entre des orbites disparaissait de l'une pour réapparaitre instantanément sur une autre, sans avoir traversé l'espace qui les séparait. Ce que l'on appellera, le saut Quantique.

Par la suite James Chadwick (collègue de Rutherford) découvrit le neutron en 1932 et la structure de l'ADN par James Watson et Francis Crick en 1953. La découverte de particules neutralisantes - neutrons - tardive par Chadwick, fut probablement un point important dans l'histoire de l'atome, mais aussi dans l'histoire, puisque la maitrise du neutron était essentielle pour la mise au point de la bombe atomique. (William E. Cooper, 1921-2008). Et c'est bien suite à cette découverte que le physiciens Hongrois Leo Szilard entreprit d’attirer l’attention du président Franklin D. Roosevelt sur l’impérieuse nécessité de prendre de vitesse un éventuel programme atomique allemand. Avec ses compatriotes physiciens Edward Teller et Eugene Wigner réfugiés comme lui aux États-Unis, il écrivit une lettre, datée du 2 août 1940, qu’Albert Einstein accepta de signer et de faire transmettre au Président. Elle recommandait notamment, comme mesure conservatoire, l’achat du stock d’uranium congolais de l’Union minière. En raison de l’invasion de la Pologne, la lettre ne fut remise à son destinataire que le 10 octobre. La réponse, datée du 19, signalait que l’affaire avait été prise très au sérieux et confiée à l’examen de l’Army, de la Navy et du NBS, avec pour objectif de la traiter le plus efficacement possible. Roosevelt inscrivit un simple « OK » sur la missive et confia…. Après des travaux préparatoires, le programme secret de construction de la « bombe atomique » sera lancé par Roosevelt en octobre 1941 ; en août 1942, son nom de code deviendra « Manhattan Engineer District », progressivement abrégé en « Manhattan Project » (MP).

Einstein a écrit trois autres lettres au Président, les deux premières de son propre chef, assez naïves dans leur contenu : la première, le 7 mars 1940, fournit des informations forcément connues du destinataire ; la seconde, le 25 avril suivant, préconise un financement en partie privé du programme et une direction associant des universités Glenn Elert, Albert Einstein’s Letters to President Franklin…… La troisième, écrite le 25 mars 1945 à la demande de Szilard « Albert Einstein to Franklin D. Roosevelt », 25 mars 1945,…, évoque les préoccupations de ce dernier et d’un groupe de scientifiques impliqués dans le MP, du fait de l’absence de contacts avec les responsables politiques : y était revendiquée une voix au chapitre quand viendrait la décision d’utiliser l’arme. Roosevelt décédera deux semaines plus tard, sans l’avoir reçue. Einstein, écarté du MP en raison de ses idées pacifistes, donne l’impression dans ces lettres de n’avoir pas compris que la science avait changé d’échelle et de gouvernance. La physique atomique et ses applications étaient maintenant assujetties à la stratégie de l’État. L’ère de la Big Science débutait. (Lenoir 2016) La suite restera inscrit dans l'histoire de l'humanité, lorsque les américains ont largués "Little Boy sur Hiroshima et Fat Man sur Nagasaki en aout 1945.

Et pourtant, la nature nous réservera encore une surprise. En 1972, Francis Perrin, découvrit qu'un réacteur vieux de 2 Milliards d'années dans l'ouest Africain, au Gabon, bien avant Sapiens (ère paléoprotérozoïque). Ce réacteur naturel se forma quand un gisement riche uranium entrat en contact avec des eaux souterraines - suite à l'éjection des neutrons d'uranium qui étaient ralenti par l'eau réagissaient avec les autres atomes et les scindaient. S'ensuivait une production de chaleur, transformant l'eau en vapeur, et qui avait pour conséquence de ralentir la réaction en chaine (Davis, Gould, Shaparov 2014) Ce réacteur naturel fonctionna pendant des centaines de milliers d'années, produisant divers isotopes qui ont pu être observés à Oklo. (Cowan 1976)

Physique et applications quantiques

Physique et applications quantique au nucléaires

Une réaction nucléaire nécessite de scinder les atomes d'uranium, processus qui permet de libérer l'énergie sous forme de chaleur et par lequel les neutrons scindent les autres atomes - la fission nucléaire. C'est en 1938 à Berlin, qu'Otto Hahn et Lise Meitner découvrirent la fission nucléaire. Ce fut une découverte fondamentale, qui conduisit en très peu d'années à des applications considérable. Le 2 décembre 1942, Enrico Fermi (qui avait fuit l'Italie en 1939) et Léo Szilard démontrait, à l'université de Columbia, Chicago, dans le cadre du projet Manhattan, l'existence d'une réaction en chaine dans un empilements de boules d'uranium naturel, en réseau périodique séparé par du graphite. Fermi démontrât expérimentalement la notion de criticité de la taille de cet empilement pour assurer la réaction en chaine - fuite de neutron vers la pile). Notons que pour l'essai, le réacteur a été poussé à son maximum : 1 watt. Actuellement les réacteurs modernes sont de plus de 3000 Mégawatt. Cela ne pris que 4 ans pour trouver la faisabilité d'un réacteur à fission nucléaire.

Si on regarde en arrière, on peut se demander pourquoi la fusion, qui fut découverte en 1935, avant la fission donc, ne soit toujours pas opérationnel - du moins à la dernière mise à jour de l'article. C'est que l'équation qui décrit le phénomène de neutron est linéaire par rapport au flux de neutrons, et les réacteurs à fission sont fondamentalement linéaire. Donc, si on mesure (ce que fit Fermi) la valeur du flux en des points choisis du réacteur, alors que tout champs de flux proportionnel à celui mesuré est aussi solution des équations de transport, on peut faire des essais suffisamment significatifs avec une puissance d'1 watt seulement.

Les équations gouvernant le parcours des particules les plus importantes - le deutérium, le tritium, l'hélium - pour la puissance dégagée, sont non linéaires en fonction des flux de ces particules. Lorsque l'on augmente la puissance, de nouveaux phénomène apparaissent. C'est donc une longue série de tests pour chaque niveau de puissance, qui permettent d'étudier tous les phénomènes nouveaux qui surgissent les uns après les autres.

Pour continuer nous allons faire un rapide rappel de mécanique classique et relativiste;

Ces deux notions sont essentielles à la compréhension de la physique nucléaire. L'équivalence énergie- masse prend tout son sens quand on traite de production énergétique. On prendra ensuite les relations liant les grandeurs dynamiques dans le référentiel du centre de masse à celle évaluées en laboratoire. On calculera l'énergie seuil d'une réaction nucléaire avec le théorème de König.

Équivalence énergie-masse

Une particule de masse m au repos possède une énergie de masse égale à mc². L'énergie totale E d'une particule en mouvement est donc la somme de son énergie cinétique T et de son énergie de masse, que l'on écrit :

où est la vitesse de la lumière (300.000.000 mètres secondes).

Notons que la relation E = T + mc² est valable dans tous les cas (classique ou relativiste). Pour être plus pratique, il est convenu qu'elles diffèrent par les expressions liant l'énergie cinétique et la quantité de mouvement.

En mécanique classique (1) nous avons :

ou p = mv est la quantité de mouvement.

En mécanique relativiste, la relation l'énergie totale E et la quantité est donnée par :

en utilisant la première équation (E = T + mc²), nous trouvons :

qui est analogue à la (1) en relativiste.

La formulation relativiste est nécessaire à partir du moment ou l'énergie cinétique T est du même ordre de grandeur que l'énergie de masse mc². En fait, la mécanique classique est valable quand T << mc² ( << est beaucoup plus petit que), c'est à dire à basse énergie.

Nous pouvons le vérifier :

En général, l'approximation non-relativiste est souvent suffisante en physique nucléaire, parce que les énergies mise en jeu sont faibles devant les énergies de masse. Pour autant la relation E = T + mc² reste valable, mais pour calculer l'énergie cinétique on utilise l'expression classique T = p²/2m.

On constate que l'équivalence entre la masse et l'énergie laisse entrevoir la possibilité de convertir la masse en énergie - et vice-versa -

Les réacteurs Thermiques

C'est probablement la filière la plus répandue dans le monde et principalement en France - REP ou PWR en anglais.

Fermi-Szilard_Neutronic_Reactor_-_Figure

Les réacteurs thermiques

Nature et effets

En préambule, ce segment entend apporter des information concernant la constitution des atomes et molécules, l'origine de la radioactivité, la nature physiques ionisants et leurs effets sur la matière vivante.

"Radioactivité" c'est le nom choisi, En 1898 par Marie Curie, pour qualifier la propriété qu'on certains atomes d'émettre spontanément un ou des rayonnements invisibles induit par le Radium. Ces rayons véhicule suffisamment d'énergie pour casser les liaisons entre les atomes.

Atomes et molécules. modèle de Rutherford (Britannica 2012)

L'atome est composé d'un noyau central et de deux types de particules liées entre par la force atomique:

les protons avec une charge électrique positive
les neutrons, de même masse que les protons, sans charge électrique
les molécules sont constituées de plusieurs atomes, liés entre eux par la mise en commun des électrons de leurs couches périphériques, que l'on appelle "liaison chimique".

L'ionnisation

L'atome qui a perdu un électron devient un ion. Son cortège d'électrons est perturbé, des liaisons avec ses voisins sont rompues. L'énergie transférée par la particule alpha, se retrouve dissipée dans le milieu sous forme de radiations électromagnétiques ou de chaleur.

Dès lors nous pouvons nous poser la question: dans quelle mesure et selon quelle modalité les radiations et les rayonnement ionisants créent ils des radicaux libres et oxydant dans les organismes vivants ? De quelle nature sont ces entités physiques, comment sont-elles produites et quelles sont leurs propriétés ?

Les rayonnements électromagnétiques
- les rayons X

ce sont des ondes électromagnétiques de même nature que :les ondes radio, les rayons infrarouges, la lumière visible et les rayons ultraviolets (ordres de fréquences croissantes)

L'ultraviolet

La limite inférieur des rayon ionisant se situe dans l'ultraviolet, les fameux UV-B, dont le soleil nous gratifie de quelques pourcents au sol, mais qui, si l'on prolonge trop le temps d'exposition de la peau à celle-ci, provoque des mélanomes malins. les photons X produits par les "tubes à décharge" ont un ordre de grandeur plus élevés. leurs pouvoirs d'absorption par le corp varie entre les tissus mous et les os, qui sont plus denses. D’où les écrans de plomb chez les radiologues.

Les radiations atomiques

Chaque éléments chimique est défini par le nombre de protons présent dans son noyau numéro atomique ou Z), il est aussi composé de neutrons dont le nombre total défini la "masse atomique" de l'élément. Il est à noter que les mêmes éléments chimiques peuvent exister sous différentes formes dites "isotopiques" dont les différences sont le nombre de neutrons présent dans le noyau.

Caractéristiques :

L'uranium est un métal blanc argenté.
Un atome d'uranium a 92 électrons ainsi que 92 protons, dont 6 sont des électrons de valence.
En raison de la présence d'isotopes instables, l'uranium est un élément radioactif faible.
L'uranium 238 est l'isotope le plus courant de l'uranium.
L'uranium est naturellement présent à de très faibles concentrations, c'est-à-dire quelques parties par million dans la roche, le sol et l'eau.
L'uranium se désintègre progressivement (lentement) en émettant sa particule alpha.
L'uranium a une mauvaise conductivité électrique (donc un mauvais conducteur d'électricité).
L'uranium est malléable, ductile et légèrement paramagnétique

tableau périodique des éléments interactif

Dans sont tableau périodique Mendeleïev a classé les éléments comme suit; les atomes, en colonnes verticales, suivant les ressemblances qu'ils présentent dans leurs comportement, et horizontalement, suivant leur constitution. Ce classement permet de voir pratiquement le nombre d'électrons (2+8+18+32+21+9+2) présent dans la couche extérieur de l'atome - le nombre atomique -. Par exemple, si nous prenons l'uranium 238, son noyau atomique compte 92 protons et 146 neutrons avec un spin 0 (tournoiement)+ pour une masse atomique de 238,02891u.

Les éléments dit radioactifs (radioéléments ou radionucléides) sont plus ou moins instables (c'est le principe...). Cette instabilité se caractérise par leurs désintégration spontanée, appelé période ou demi vie; c'est le temps nécessaire pour que la moitié d'une quantité d'atomes se soit désintégrée.

Comme nous pouvons le voir dans les exemples pris ci-dessous, chaque radioélément a sa propre période de désintégration :

Uranium 238 (U238) - 4,47 milliards d'années - pratiquement l'âge de la Terre...
Potassium 40 (K40) - 1,25 milliards d'années
Plutonium 239 (Pu239) - 24.110 ans
Radium 226 (Ra226) - 1602 ans
Césium 137 (Cs137) - 30 ans
Strontium 90 (Sr90) - 30 ans
Iode 131 (I131) - 8 jours

Cette diversité provient de la matière constitutive de l'univers connu et qui résulte de l'explosion de supernovæ. Le plus présent étant l'hydrogène, qui est un élément stable et classé 1 dans la table périodique des éléments.

model-Diagram-Rutherford-atom-nucleus-sp

Emploi et aspects sociaux

Climat et Nucléaire

Utopie

Y a-t-il une alternative?

Réacteurs à fusion

Une alternative à la fission nucléaire est la fusion nucléaire. Il promet le rêve d'une énergie pratiquement illimitée, car il implique la fusion du deutérium et du tritium 15 obtenu à partir de l'eau 16, qui est en grande abondance.

Compte tenu de tous les problèmes ci-dessus liés à la fission nucléaire, la fusion nucléaire peut-elle nous conduire à une utopie nucléaire?

Accélérateurs de particules

Le but du programme MYRRHA est de démontrer le concept ADS à l'échelle pré-industrielle, de prouver l'efficacité de transmutation dans l'ADS et de servir d'installation d'irradiation flexible et polyvalente. Le cœur sous-critique MYRRHA alimenté en combustible MOX hautement enrichi et refroidi au LBE sera exploité par un accélérateur linéaire supraconducteur de haute puissance délivrant un faisceau de protons de 600 MeV, 4 mA à une cible de spallation LBE. En septembre 2018, le gouvernement belge a approuvé la construction de l'installation MYRRHA et son exploitation jusqu'en 2038. Dans cet article, nous décrivons l'état actuel du programme MYRRHA et les perspectives de mise en œuvre à travers une première infrastructure en 2026 jusqu'au fonctionnement complet de MYRRHA en 2036.

Conclusion

Il y a une ingénierie fondamentale et des limites de ressources qui rendent la notion d'utilité nucléaire impraticable à l'échelle Mondiale. En outre, il faut tenir compte des coûts, de la sécurité, de la complexité et des problèmes liés à la gouvernance de l'énergie nucléaire.

Si la technologie ne peut pas être fondamentalement utilisable et suffisamment productive, il faut se demander si le même investissement serait mieux dépensé pour une technologie véritablement évolutive.

Certaines études récentes, dans le rapport du GIEC par exemple, montrent que suite à des avancées technologiques les énergies renouvelables peuvent concurrencer les énergies fossiles.

Faut-il pour autant se passer de ce type d'énergie ? La mise en place de Small Modular Reactors (SMR), présentent des avantages non négligeables et peuvent aider en cas de "coups durs".

C'est, par exemple, dans ce cadre que le projet Drawdown s'inscrit. Il présente un plan assez large et propose une liste non exhaustive de points pouvant aider à la diminution des gaz à effet de serre, selon divers angles comme la diversité énergétique, flexibilité du réseau, la réduction du gaspillage, l'éducation, l'Intelligence Artificielle et les Smarts Grids.

Remarques

1 Il y a un contrepoint à cette position. Si le scénario d'émissions haut de gamme du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat s'avère correct, l'énergie nucléaire sera alors confrontée à des risques accrus d'accidents catastrophiques liés aux conditions météorologiques - cela a été surnommé le «dilemme adaptation-atténuation» ( Kopytko et Perkins, 2011 ) . Si, en revanche, les scénarios haut de gamme pour la production de combustibles fossiles ne peuvent être satisfaits en raison de la limitation des ressources, comme l'indique un corpus croissant de littérature ( Brecha, 2008 ; Höök et al., 2010a , 2010b ; Nel et Cooper, 2009 ; Rutledge, 2011), alors des limites climatiques raisonnables peuvent être maintenues en prenant des mesures réduites, et la mise à l'échelle rapide de l'énergie nucléaire n'est pas nécessaire. Ainsi, on peut soutenir que l'énergie nucléaire est une réponse inappropriée à l'un ou l'autre de ces points de vue.

2 Avec un approvisionnement abondant en énergie nucléaire, on pourrait imaginer qu'elle est exploitée pour produire du carburant de transport, ainsi que de l'électricité ( Duffy, 2009 ).

3 Dans une utopie nucléaire hypothétique, il faudrait plus d'un siècle pour construire jusqu'à un niveau de 15 térawatts, et alors la consommation d'énergie mondiale serait beaucoup plus élevé. Cependant, pour les calculs d'ordre de grandeur, 15 térawatts est un chiffre arbitraire raisonnable pour examiner la faisabilité à grande échelle de l'énergie nucléaire.

4 D'autres problèmes incluent le fluage de l'irradiation, l'instabilité de phase, le gonflement volumétrique, le gonflement des vides, le glissement de la limite des grains et la dégradation intergranulaire.

5 Si 15 000 réacteurs de 1 gigawatt fonctionnent chacun pendant 50 ans en moyenne (18 250 jours), cela signifie en remplacer un tous les 1,2 jour en moyenne (18 250/15 000 = 1,2).

6 En pratique, il y a un compromis entre le temps de déclassement et le coût. Laisser plus de temps aux produits radioactifs pour se désintégrer réduit les coûts, car il y a moins de contaminants à traiter. Les mesures de réduction des coûts entraînent généralement des délais de mise hors service plus longs.

7 14 000 années-réacteurs / 11 accidents = 1 272 ≈ 1 300 années-réacteurs par accident.

8 15 000 réacteurs × 1 accident / 1 272 années-réacteurs = 11,79 ≈ 12 accidents / an.

9 Si l'énergie totale consommée dans l'extraction d'uranium est W = 0,2 gigajoules (0,0002 térajoules) par kilogramme, le seuil de rentabilité nécessite mW = mcηε . L'énergie dans le minerai est mcηε , où m est la masse du minerai, c est la concentration d'uranium dans le minerai, η = 0,007 est la fraction U 235 et ε = 83,14 térajoules / kilogramme est la densité d'énergie. Ainsi, la concentration de minerai nécessaire pour payer mW est c = W / ηε = 344 parties par million ≈340 parties par million.

10 Convertir les tonnes en kilogrammes, total U 235 = 4,29 × 10 12 × 0,007 = 30 milliards de kilogrammes. Multipliez cela par ε = 83,14 térajoules / kilogramme et divisez par 15 térawatts = 166 milliards de secondes = 5 264 ans ≈ 5300 ans.

11 5 300 ans × 60 = 318 000 ans ≈ 3 000 siècles.

12 Pour apprécier à quel point une concentration de 3,3 parties par milliard est faible, considérons un minerai d'uranium terrestre de la même concentration. Le contenu énergétique d'un tel minerai est-il suffisant pour payer l' énergie mgh pour même le sortir de la mine? L'énergie dans le minerai est mcηε , où m est la masse du minerai, c est la concentration d'uranium dans le minerai, η = 0,007 est la fraction U235 et ε = 83,14 térajoules / kilogramme est la densité d'énergie. Pour atteindre l' équilibre , mgh = mcηε et donc la distance h = cηε / g = 50 mètres et est indépendant de la masse du minerai. Par conséquent, le contenu énergétique d'un tel minerai est bien inférieur à l'énergie d'extraction.

13 Un principe du monde naturel est que les petits objets sont plus abondants que les grands. Un corollaire est que des concentrations plus faibles d'une ressource sont plus courantes que des concentrations plus élevées. Si nous pouvons exploiter une ressource à des concentrations plus faibles, nous pouvons en obtenir davantage, bien que cela se fasse au détriment d'un taux d'extraction réduit et d'une énergie d'extraction accrue.

14 Si nous pouvons nous permettre une augmentation des coûts d'un facteur p , alors notre uranium accessible augmente de 300 log ( p ). Demandons-nous maintenant quelle augmentation des coûts miniers entraînerait une multiplication par soixante de l'uranium. Cela nous donnera alors une idée de si les réacteurs surgénérateurs rapides nous rapportent quelque chose en termes économiques réels. Ainsi, mettre 300log ( p ) = 60 entraîne une augmentation des coûts de p = 1,3, c'est-à-dire une augmentation de 30 pour cent.

15 Il est possible d'avoir une fusion deutérium-deutérium (DD), plutôt qu'une fusion deutérium-tritium (DT). Cela élimine le besoin de tritium. Cependant, un cycle DD nécessite cinq fois la température de réaction, ce qui signifie des problèmes de confinement considérables, et par conséquent, tout se concentre sur le cycle DT. Les températures de réaction maximales dans le réacteur expérimental thermonucléaire international (ITER) sont déjà de l'ordre de 100 millions de degrés Celsius, ce qui est supérieur à la température au cœur du soleil.

16 Ceci est le rêve; cependant, dans la pratique, ce n'est pas vrai. Alors que le deutérium est facilement obtenu à partir de l'eau, le tritium est plus difficile à obtenir. Le tritium peut être produit en petites quantités lorsque le deutérium capture un neutron. Mais comme la section efficace de capture est très petite, cette voie est discutable en tant que voie commerciale. Par conséquent, en pratique, le tritium est produit par des neutrons bombardant le lithium. Cependant, la transmutation du lithium n'est pas durable, car ce n'est pas un élément abondant et il a de nombreuses autres utilisations industrielles concurrentes (par exemple, la technologie des batteries, le verre, la céramique et les lubrifiants).

17 Il s'agit de taux de croissance annuels de la consommation des métaux nécessaires dans toutes les industries et pas uniquement pour l'énergie nucléaire. Ceci est important pour tenir compte de la consommation totale dans toutes les industries, car la réalité est que de nombreuses industries différentes se font concurrence pour les mêmes ressources.

18 Il y a environ 40 milliards de kilogrammes d'uranium exploitable. En pratique, tout cela peut ne pas être économiquement extractible. Cependant, si nous avons hypothétiquement utilisé tout cela dans un réacteur conventionnel à une énergie maximale disponible de 77 térajoules / kilogramme, l'énergie totale produite est de 3,08 yottajoules (40 milliards × 77). C'est de l'ordre de 80 pétawatts (80 milliards de mégawatts) générés pendant un an: 3,08 yottajoules / (365 × 24 × 60 × 60) secondes (en un an) = 97 pétawatts, soit à peu près de l'ordre de 80 pétawatts.

JMJ

Ce dernier, qui n'est plus à la près d'une provocation, utilise dans ses présentation la métaphore de "la pilule rouge" qui est aujourd’hui fréquemment citée dans les cercles complotistes, anti-vaccins, QAnon. Est-ce à dire pour autant que les milieux jancovicistes sont assimilables avec ces cercles ? Non. Mais je constate qu’une partie des suiveurs de JMJ, certainement minoritaires mais plus visibles (car plus nombreux ?) qu’auparavant, se révèlent sensibles aux théories du complot telles que propagées récemment dans le documentaire Holdup. Néanmoins sur les réseaux sociaux on peut y lire souvent les commentaires suivant: « vous devriez lire Jean-Marc Jancovici », « comme dirait Jean-Marc Jancovici », « je pense comme Jean-Marc Jancovici », « oui il faut lire Jancovici »…Isolées séparément, aucune ne choque particulièrement ; mais mises bout à bout, elles laissent une impression particulière, pour ne pas dire gênante – l’impression d’une cohorte de fidèles qui répètent en perroquet la parole de leur maître, avec une capacité d’écoute et de compréhension des arguments opposés qui laisse à désirer. Pour rappel JMJ est ingénieur polytechnique en télécoms, et ses arguments ne font certainement pas preuves d'autorité en cette matière, et finissent par avoir une portée politique, même s'il s'en défend.

Dans ses présentations, il explique que la crise de 2008 a été déclenchée par des facteurs énergétiques, et que l’énergie abondante « a permis les divorces, puisque pour divorcer, il faut avoir deux logements là où vous n’en n’aviez qu’un », l’essor des études (puisque les machines libèrent de la force de travail) et en particulier des études longues, des loisirs (et en particulier des loisirs modernes puisque les formes de loisirs qui se sont développées ces dernières décennies sont très énergivores), des retraites… – et même, il y a plus longtemps, la fin de l’esclavage.

Il est passionnant de l’entendre dérouler ses démonstrations. Celles-ci sont séduisantes, puisqu’il présente une vision du monde clef en main, tout compris, où tout est physique et tout est énergie – des facteurs effectivement trop souvent mis de côté, notamment par les économistes. A cela s’ajoutent ses assertions tranchées et son assurance (qui flirtent parfois avec un manque de nuances) qui sont autant d’atouts pour accrocher son auditoire.

Récemment, le débat sur la possibilité du 100% renouvelable en France – jugée irréaliste par JMJ à moins d’un choc brutal dans nos conditions de vie – a été relancé suite à la publication très récente d’une étude du CIRED (Centre international de recherche sur l’environnement et le développement,) pré-publiée dans The Energy Journal et qui a terminé le processus de « peer-review ».

A rebours des thèses de JMJ, cette étude montre qu’il est possible « d’atteindre 100% d’électricité renouvelable en France métropolitaine à l’horizon 2050, pour un coût égal ou inférieur au coût actuel, même en prenant en compte les incertitudes liées aux conditions météorologiques et aux coûts des technologies émergentes ».

Elle montre notamment que « l’importance du coût du stockage ne représente que 15% du coût total : il ne faut donc pas surestimer sa part dans le coût d’un système 100% renouvelable ».

il serait bon, pour ne pas dire important, que tous ceux qui le découvrent et le suivent aient bien conscience de ses biais.

Rien que sur le strict plan des questions énergies-climat, se contenter de la « parole » de JMJ serait un piège, quand bien même ses idées sont similaires à celles d’autres personnalités à l’international comme Vaclav Smil (penseur de l’énergie) ou Timothy Mitchell (qui montre dans son livre « Carbon Democracy » le rôle majeur du charbon et du pétrole dans le développement des grandes démocraties).

A ce titre les lignes suivantes sont intéressantes. Robin Girard, enseignant-chercheur de l’Ecole des Mines écrivait récemment sur Linkedin :

« Je ne crois pas que Jean-Marc Jancovici suive les principes de la recherche. C’est un excellent communiquant qui diffuse et contextualise les articles qu’il lit. Il a fait beaucoup pour la question énergie-climat et son cours au mines est très bon. Pourtant il n’a jamais fait un calcul valable sur le système électrique et sa position sur les énergies renouvelables n’est pas toujours très honnête. Ses propos ne sont pas soumis à discussion car il n’écoute que lui, ses articles ne sont pas publiés dans des revues, et vous remarquerez qu’il n’y a pas de section « discussion » sur son site. Je dirais que c’est un excellent « influencer » mais son attitude n’est certainement « scientifique ».

Le fait que certains qualifient la position de RTE de « communication commerciale » par rapport à celle de JMJ qui serait sérieuse est le reflet d’un manque de confiance très problématique dans nos institutions les plus pointues, lié à une dérive populiste de la communication technique sur ces sujets. RTE fait des études fouillées, avec des experts, des consultations publiques ».

Ce à quoi JMJ a notamment rétorqué : « Pourquoi me proposer chaque année d’intervenir devant les ingénieurs-élèves du corps des Mines, alors ? ».

Et Robin Girard de répondre :

« Concernant votre intervention aux mines, j’ai dit clairement que je trouvais vos cours percutants et de qualité. 90% de ce que vous dites est juste et utile, votre contribution à la démocratisation des sujets énergie/climat sobriété est majeure ! Je vous remercie pour cela. Par contre, votre compréhension et votre modélisation du système électrique est intéressante pour le béotien qui n’a jamais entendu parler de l’équilibre offre demande, mais au-delà de ça elle est très pauvre voire malhonnête, c’est un fait. On ne peut pas être bon partout ! Ce qui m’embête c’est que cette modélisation malhonnête fait référence chez tous vos fans, et que ceux-ci estiment aujourd’hui qu’à côté de vous le travail de RTE est de la propagande marketing ».

La littérature scientifique sur les questions d’énergie et de climat doit être prise au sérieux – une évidence que nombre de « supporters » semble avoir du mal à entendre lorsque les résultats ne sont pas tout à fait alignés avec ceux présentés par JMJ. (Clémment Jeanneau - signaux faibles 2021)

Le calcul du coin de table

4% --> 100% = x 25

100 ans/25 = 4

il reste donc, 4 ans d'uranium, pour un full nucléaire.

Maintenant reportons l'exercice sur une des autres sources, le charbon par exemple:

le charbon représente 27 % du mix énergétique. Pour s'en passer nous devrions augmenter la part du nucléaire par 7, soit 32 % (4 + 27 = 32).

100 ans/7 = 14,3 ans d'uranium pour se passer du charbon.

COMPARATIF:

Selon certains "experts", les coûts d'investissement pour l'éolien seraient ... 10 à 20 fois plus élevés que ceux pour le nucléaire. Pas 10 ou 20%, mais 10 à 20 fois !

D'abord les facteurs de charge. Pour le nucléaire, 80% ; alors que la moyenne FR 2014-2017 est de ...72%. Pour l'éolien, 20% ; en 2018, RTE + SER le calculent à 22%. bilan 2019 25 % Le ratio Nucléaire/Eolien n'est plus de 4 mais de ...3,2 !

Durées de vie. Pour le nucléaire, 60 ans ; sans grand carénage (coûteux), c'est ...40 ans ! Pour l'éolien, 20 ans ; c'est la fourchette basse (le 1er parc FR a 26 ans). Le ratio Nucléaire/Eolien n'est plus de 3 mais de ...2 !

Surcoût du réseau électrique. Pour le nucléaire, affirmation conventionnelle, la gratuité ; c'est ignoré ignorer ainsi la ligne THT Cotentin-Maine pour l'EPR. Pour l'éolien, il affirme que c'est égal au coût de l'éolienne ! Si surcoût éolien, il ne sera pas de 2. Disons 1,5.

Stockage, estimé deux fois plus coûteux pour l'éolien. C'est oublier les barrages, les STEP, le coût des interconnections construits pour le nucléaire et utilisables pour pallier à la variabilité de l'éolien. Pourquoi un surcoût de 2 ? Disons 1,5.

Investissements. Côté nucléaire, 4 000 € le kW. L'EPR est à 7 000 €. OK c'est une tête de série, disons 5 600 € (80%). Pour l'éolien, il affirme 1 500 € le kW. La réalité est à 1 400 €. Le ratio n'est plus de 2,5 POUR l'éolien mais de ...4.

A ce stade du raisonnement, le ratio n'est pas d'un facteur 20 en faveur du nucléaire mais de ... 3,7 !

Ne pas non plus oublier le coût du démantèlement, ce qui n'est pas une mince affaire. Pour le nucléaire, un rapport d'information de l'Assemblée Nationale donne ~500 €/kW. Pour l'éolien, ce coût est de 50 €/kW, soit ...10 fois moins.

Ensuite le coût de stockage profond des déchets radioactifs (RAS pour l'éolien). Investissement d'au moins 25 milliards €. La puissance du parc nucléaire FR est de 63 GW, si l'on considère un parc cumulé de 100 GW, cela fait 250 €/kW de plus. Au moins.

A ce stade, le ratio n'est plus du tout d'un facteur 20 ou d'un facteur 3,7 en faveur du nucléaire. Plus du tout. Il s'inverserait même en appliquant le calcul de coin de table de JMJ

Mais, last but not least, JMJ ramène son calcul par kilowattheure sans prendre en compte le coût du combustible. Gratuit pour l'éolienne. Mais pas tout à fait gratuit pour le nucléaire : extraction en Afrique, transformations complexes, transports…

Peut-on se permettre d’ajouter à cet argumentaire le coût de l’assurance ? (source : NegaWatt - Courant Constructif 2020)

20 fausses rumeurs

exemple: "4.000 éoliennes pour remplacer fessenheim"

- fessenheim 1800 Mwh (11,9Twh en 2018) (5,7Twh en 2017)

__ 11.900.000 Mwh/8760 (heures sur 1 an) = 1358 Mwh

- 1 éolienne de 6 Mwh (pour l'instant offshore) facteur de charge 40 % = 2,4 Mwh

566 éoliennes max.

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Revoir les articlesPas d'accès

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Mots clés diversité élémentaire , énergie nucléaire , limites de ressources , évolutivité , solaire , santé transition, , électricité, centralisation, environnement, pollution, thermique , uranium