La mécanique d'une fusion nucléaire expliquée

Jenny Marder Jenny Marder

Laissez vos commentaires

Après une puissante explosion mardi, les travailleurs japonais ont toujours du mal à reprendre le contrôle d'une centrale nucléaire endommagée par un tremblement de terre et un tsunami, au milieu des craintes croissantes d'un effondrement complet.

Ce qui soulève les questions suivantes : qu’est-ce qu’une fusion nucléaire exactement ? Et qu’est-ce qu’une fusion partielle ?

« Ce terme « fusion » est évoqué, et je pense que les gens pensent que lorsque le carburant chauffe, les choses commencent à fondre et à devenir liquides », a déclaré Charles Ferguson, physicien et président de la Fédération des scientifiques américains. "Mais il y a différentes étapes en cours de route."

À l'intérieur du cœur des réacteurs à eau bouillante de l'installation japonaise de Fukushima Dai-ichi se trouvent des milliers de barres de combustible en zirconium, chacune remplie de pastilles de céramique de la taille d'une gomme à crayon. Ces pastilles contiennent du dioxyde d'uranium.

Dans des circonstances normales, l’énergie est générée en exploitant la chaleur produite par un processus de division des atomes appelé fission nucléaire. Lorsque les atomes d'uranium se divisent, ils produisent de la chaleur, tout en créant ce que l'on appelle des produits de fission. Ce sont des fragments radioactifs, comme le baryum, l'iode et le césium 137. Dans un réacteur nucléaire en fonctionnement, l'eau est pompée dans le cœur chauffé du réacteur, bout, se transforme en vapeur et alimente une turbine, produisant de l'électricité.

"Fondamentalement, chaque atome d'uranium se divise en deux parties, et vous obtenez toute une soupe d'éléments au milieu du tableau périodique", a déclaré Arjun Makhijani, ingénieur nucléaire et président de l'Institut de recherche sur l'énergie et l'environnement.

Un réacteur est comme une cocotte minute. Il contient de l'eau bouillante et de la vapeur, et à mesure que la température augmente, la pression augmente également, puisque la vapeur ne peut pas s'échapper. En cas de panne de refroidissement, de l’eau est injectée pour refroidir les barres de combustible et la pression augmente.

Ce noyau surchauffé doit être refroidi avec de l’eau pour éviter une surchauffe et une accumulation excessive de vapeur pouvant provoquer une explosion. Au Japon, ils ont soulagé la pression en libérant de la vapeur via des vannes de pression. Mais c'est un compromis, car il n'y a aucun moyen d'y parvenir sans libérer également des matières radioactives.

Une fusion nucléaire est un accident résultant d’un échauffement important et d’un refroidissement insuffisant au cœur du réacteur, et se produit en différentes étapes.

À mesure que le noyau chauffe, le zirconium réagit avec la vapeur pour devenir de l'oxyde de zirconium. Ce processus d’oxydation libère de la chaleur supplémentaire, augmentant encore la température à l’intérieur du noyau. Les températures élevées provoquent des cloques et des ballonnements dans le revêtement de zirconium qui recouvre la surface des barres de combustible. Avec le temps, ce métal de zirconium ultra-chaud commence à fondre. Les parties exposées des barres de combustible finissent par devenir liquides, coulent dans le liquide de refroidissement et se solidifient. Et ce n’est que le début d’un événement potentiellement catastrophique.

"Cela peut obstruer et empêcher l'écoulement d'une quantité supplémentaire de liquide de refroidissement", a déclaré Ferguson. « Et cela peut devenir un cercle vicieux. Une fusion partielle peut se solidifier et bloquer les canaux de refroidissement, entraînant une fusion plus importante et des températures plus élevées si un refroidissement adéquat n'est pas présent.

Une fusion complète impliquerait la fusion de tout le combustible de ce cœur et une masse de matière fondue tombant et se déposant au fond de la cuve du réacteur. Si le récipient se brise, les matières pourraient s'écouler dans le plus grand bâtiment de confinement qui l'entoure. Ce confinement est protégé par des couches protectrices d’acier et de béton.

"Mais si ce confinement est rompu, alors potentiellement beaucoup de matières pourraient se retrouver dans l'environnement", a déclaré Ferguson.

La fusion peut également se produire dans les piscines contenant des crayons de combustible usé. Les barres de combustible usé sont retirées du réacteur et immergées dans ce qu'on appelle une piscine de combustible usé, qui refroidit et protège les matières radioactives.

Une surchauffe des piscines de combustible usé pourrait provoquer l'évaporation de l'eau contenant et refroidissant les crayons. Sans liquide de refroidissement, les barres de combustible deviennent très vulnérables à l’inflammation et à la combustion spontanée, libérant ainsi des niveaux dangereux de rayonnement dans l’atmosphère.