droite|vignette|Un détecteur de fumée résidentiel est un exemple de technologie nucléaire. Les détecteurs à ionisation sont interdits en France depuis 2011. Une technologie nucléaire est une technologie qui implique les réactions nucléaires des noyaux atomiques. Parmi les technologies nucléaires notables figurent les réacteurs nucléaires, la médecine nucléaire et les armes nucléaires. Elle est également utilisée, entre autres, dans certains détecteurs de fumée et viseurs d'armes à feu.
Histoire scientifique
Découverte La grande majorité des phénomènes naturels courants sur Terre n'impliquent que la gravité et l'électromagnétisme, et non des réactions nucléaires. En effet, les noyaux atomiques sont généralement séparés car ils contiennent des charges électriques positives et donc se repoussent. gauche|vignette|Henri Becquerel. En 1896, Henri Becquerel étudie la phosphorescence dans les sels d'uranium lorsqu'il découvre un nouveau phénomène appelé radioactivité. Lui, Pierre Curie et Marie Curie commencent à enquêter sur le phénomène. Dans le processus, ils isolent l'élément radium, qui est hautement radioactif. Ils découvrent que les matières radioactives produisent des rayons intenses et pénétrants de trois sortes distinctes, qu'ils ont étiquetées alpha, bêta et gamma, d'après les trois premières lettres grecques. Certains de ces types de rayonnement pourraient traverser la matière ordinaire, et tous pourraient être nocifs en grandes quantités. Tous les premiers chercheurs constatent diverses brûlures par rayonnement, similaires à des coups de soleil.
Le nouveau phénomène de la radioactivité est saisi par de nombreux charlatans (comme l'ont fait les découvertes de l'électricité et du magnétisme, plus tôt), et un certain nombre de médicaments brevetés et de traitements impliquant la radioactivité sont proposés.
Peu à peu, les scientifiques comprennent que le rayonnement produit par la désintégration radioactive est un rayonnement ionisant et que même des quantités trop petites pour brûler par rayonnement pouvaient poser un grave danger à long terme. De nombreux scientifiques travaillant sur la radioactivité sont morts d'un cancer à la suite de leur exposition. Les médicaments brevetés radioactifs disparaissent ensuite pour la plupart, mais d'autres applications de matières radioactives persistent, comme l'utilisation de sels de radium pour produire des cadrans lumineux.
À mesure que la physique atomistique est mieux comprise, la nature de la radioactivité devient plus claire. Certains noyaux atomiques plus gros sont instables et se désintègrent donc après un intervalle aléatoire et libèrent de la matière ou de l'énergie. Les trois formes de rayonnement découvertes par Becquerel et les Curie sont également mieux comprises. vignette|Diagramme des différents genres de radiation ionisante et leur capacité à pénétrer la matière. La désintégration alpha se produit lorsqu'un noyau libère une particule alpha, qui est composée de deux protons et de deux neutrons, équivalente à un noyau d'hélium. La désintégration bêta est la libération d'une particule bêta, un électron à haute énergie. La désintégration gamma libère des rayons gamma, qui contrairement aux rayonnements alpha et bêta ne sont pas de la matière mais des rayonnements électromagnétiques de très haute fréquence, et donc de l'énergie. Ce type de rayonnement est le plus dangereux et le plus difficile à bloquer. Les trois types de rayonnement se produisent naturellement dans certains éléments chimiques.
Il devient également devenu clair que la source originelle de la plupart de l'énergie terrestre est nucléaire, soit par le rayonnement solaire causé par des réactions thermonucléaires stellaires, soit par la désintégration radioactive de l'uranium dans la Terre, la principale source d'énergie géothermique.
Fission nucléaire
Dans le rayonnement nucléaire naturel, les sous-produits sont très petits par rapport aux noyaux dont ils proviennent. La fission nucléaire est le processus de division d'un noyau en parties à peu près égales et de libération d'énergie et de neutrons dans le processus. Si ces neutrons sont capturés par un autre noyau instable, ils peuvent conduire à une réaction en chaîne. Le nombre moyen de neutrons libérés par un noyau qui peuvent alors provoquer la fission d'un autre noyau est appelé k. Dès que les valeurs de k sont supérieures à 1, la réaction de fission libère plus de neutrons qu'elle n'en absorbe, et est donc appelée réaction en chaîne auto-entretenue. Une masse de matière fissile suffisamment grande (et dans une configuration appropriée) pour induire une réaction en chaîne auto-entretenue est appelée masse critique.
Lorsqu'un neutron est capturé par un noyau approprié, une fission peut se produire immédiatement ou le noyau peut persister dans un état instable pendant une courte période. S'il y a suffisamment de désintégrations immédiates pour poursuivre la réaction en chaîne, on dit que la masse a une criticité prompte et que la libération d'énergie augmentera rapidement et de manière incontrôlable, conduisant généralement à une explosion.
Lorsque ce phénomène est découvert à la veille de la Seconde Guerre mondiale, cette idée conduit plusieurs pays à lancer des programmes examinant la possibilité de construire une bombe atomique, une arme qui utiliserait des réactions de fission pour générer beaucoup plus d'énergie que ce qui pourrait être créé avec des explosifs chimiques. Le projet Manhattan, géré par les États-Unis avec l'aide du Royaume-Uni et du Canada, développe de multiples armes à fission qui sont finalement utilisées contre le Japon en 1945 à Hiroshima et Nagasaki. Au cours du projet, les premiers réacteurs nucléaires sont également développés, bien qu'ils soient principalement destinés à la fabrication d'armes et ne génèrent pas d'électricité.
En 1951, une première centrale nucléaire à fission parvient à produire de l'électricité au réacteur expérimental (EBR-1), à Arco, Idaho, inaugurant «l'ère atomique».
Cependant, si la masse n'est critique que lorsque les neutrons retardés sont inclus, alors la réaction peut être contrôlée, par exemple par l'introduction ou l'élimination de poison à neutrons. C'est ce qui permet de construire des réacteurs nucléaires. Les neutrons rapides ne sont pas facilement capturés par les noyaux, ils doivent être ralentis par collision avec les noyaux d'un modérateur de neutrons, avant de pouvoir être facilement capturés. Ce type de fission est couramment utilisé pour produire de l'électricité.
Fusion nucléaire
gauche|vignette|Le Soleil génère son énergie par fusion nucléaire. Si les noyaux sont forcés de se heurter, ils peuvent subir une fusion nucléaire. Ce processus peut libérer ou absorber de l'énergie. Lorsque le noyau résultant est plus léger que celui du fer, de l'énergie est normalement libérée tandis que lorsque le noyau est plus lourd que celui du fer, l'énergie est généralement absorbée. Ce processus de fusion se produit dans les étoiles, qui tirent leur énergie de l'hydrogène et de l'hélium. Ils forment, par nucléosynthèse stellaire, les éléments légers (du lithium au calcium) ainsi que certains des éléments lourds (au-delà du fer et du nickel, via le processus s). L'abondance restante d'éléments lourds, du nickel à l'uranium et au-delà, est due à la nucléosynthèse explosive de supernova, le processus r.
Bien entendu, ces processus naturels de l'astrophysique ne sont pas des exemples de « technologie » nucléaire. En raison de la très forte répulsion des noyaux, la fusion est difficile à réaliser de manière contrôlée. Les bombes H tirent leur énorme pouvoir destructeur de la fusion, mais leur énergie ne peut être contrôlée. La fusion contrôlée est réalisée dans des accélérateurs de particules ; c'est là la principale méthode utilisée pour obtenir des éléments synthétiques. Un fusor peut également produire une fusion contrôlée et est une source de neutrons utile. Cependant, ces deux appareils fonctionnent avec une perte d'énergie nette. Une énergie de fusion contrôlée et viable s'est avérée insaisissable, malgré des rumeurs de fusion froide. Des difficultés techniques et théoriques entravent le développement d'une technologie de fusion civile fonctionnelle, bien que la recherche se poursuive dans le monde entier.
La fusion nucléaire n'est initialement poursuivie qu'à des stades théoriques pendant la Seconde Guerre mondiale, lorsque les scientifiques du projet Manhattan (dirigé par Edward Teller) l'étudient comme méthode de construction d'une bombe. Le projet abandonne la fusion après avoir conclu qu'il faudrait une réaction de fission pour exploser. Il faut attendre 1952 pour que la première bombe à hydrogène complète explose, ainsi appelée parce qu'elle utilise des réactions entre le deutérium et le tritium. Les réactions de fusion sont beaucoup plus énergétiques par unité de masse de combustible que les réactions de fission, mais le démarrage de la réaction de fusion en chaîne est beaucoup plus difficile.
Armes nucléaires
vignette|Image du test Castle Bravo (1954). Une arme nucléaire est un engin explosif qui tire sa force destructrice de réactions nucléaires, soit la fission, soit une combinaison de fission et de fusion. Les deux réactions libèrent de grandes quantités d'énergie à partir de quantités relativement petites de matière. Même les petits engins nucléaires peuvent dévaster une ville par les explosions, les incendies et les radiations. Les armes nucléaires sont considérées comme des armes de destruction massive, et leur utilisation et leur contrôle est un aspect majeur de la politique internationale depuis leur apparition.
La conception d'une arme nucléaire est complexe. Une telle arme doit maintenir une ou plusieurs masses fissiles sous-critiques stables pour le déploiement, puis induire la criticité (créer une masse critique) pour la détonation. Il est également assez difficile de garantir qu'une telle réaction en chaîne consomme une fraction significative du carburant avant que le dispositif ne se sépare. L'achat d'un combustible nucléaire est également difficile, car des substances suffisamment instables pour ce processus ne sont pas présentes naturellement sur Terre en grandes quantités.
Un isotope de l'uranium, à savoir l'uranium 235, est d'origine naturelle et suffisamment instable, mais on le trouve toujours mélangé avec l'isotope plus stable uranium 238. Ce dernier représente plus de 99 % du poids de l'uranium naturel. Par conséquent, une méthode de séparation isotopique basée sur le poids de trois neutronss doit être effectuée pour enrichir (isoler) l'uranium 235.
Alternativement, l'élément plutonium possède un isotope suffisamment instable pour que ce procédé soit utilisable. Le plutonium terrestre n'est pas présent à l'état naturel en quantité suffisante pour une telle utilisation et il doit donc être fabriqué dans un réacteur nucléaire"Oklo Fossil Reactors" Curtin University of Technology. Archived from the original on 18 December 2007. Retrieved 15 January 2008.. gauche|vignette|Images des champignons atomiques à Hiroshima (à gauche) et Nagasaki (à droite). Finalement, le Projet Manhattan fabrique des armes nucléaires basées sur chacun de ces éléments. Il fait exploser la première arme nucléaire lors d'un essai au nom de code "Trinity", près d'Alamogordo, au Nouveau-Mexique, le . Le test est effectué pour s'assurer que la méthode de détonation par implosion fonctionnerait, ce qui a été le cas. Une bombe à l'uranium, Little Boy, est larguée sur la ville japonaise d'Hiroshima le , suivie trois jours plus tard par le Fat Man à base de plutonium à Nagasaki. À la suite de dévastations et de pertes sans précédent causées par une seule arme, le gouvernement japonais s'est rapidement rendu, mettant fin à la Seconde Guerre mondiale.