Le noyau est composé de deux sortes de particules appelées nucléons : d'une part des protons portant chacun une charge électrique élémentaire positive, d'autre part des neutrons très semblables, hormis le fait qu'ils ne portent pas de charge électrique. Les électrons, eux, près de deux mille fois plus petits, portent chacun une charge électrique élémentaire négative.

Comme l'atome est normalement électriquement neutre, il y a le même nombre Z de protons dans le noyau que d'électrons autour. Ce nombre, appelé numéro atomique, peut aller de 1 à 92 et définit l'élément chimique ; par exemple, les atomes d'hydrogène ont un proton et un électron ; à l'autre extrême de la table des éléments naturels qu'avait établie Mendeleïev, se trouve l'uranium : 92 protons et 92 électrons.

Pour un même élément caractérisé par Z, on peut souvent repérer des atomes différant par le nombre N de neutrons associés aux Z protons du noyau : dans ce cas, on parle d'isotopes et on les distingue par le nombre A = Z + N de nucléons, appelé nombre de masse car il caractérise approximativement la masse de l'atome. Par exemple, l'hydrogène naturel a deux isotopes, l'hydrogène 1 (1 proton, 1 électron, 0 neutron) et l'hydrogène 2, également appelé deutérium (1 proton, 1 électron, 1 neutron) ; de même, l'uranium naturel a deux isotopes principaux, l'uranium 235 (92 protons, 92 électrons, 143 neutrons) et l'uranium 238 (92 protons, 92 électrons, 146 neutrons).

Grâce à cette force nucléaire, le noyau, tel une goutte d'eau, prend une forme à peu près sphérique. Pour assurer le meilleur compromis entre les forces attractives et répulsives, il faut que la proportion neutron/proton soit adéquate, environ 50/50 pour les petits noyaux et 60/40 pour les gros. C'est la raison pour laquelle chaque élément n'a qu'un petit nombre d'isotopes stables ; les autres isotopes, ceux pour les quels la proportion n'est pas optimale, sont radioactifs, c'est-à-dire se transforment spontanément, selon une loi probabiliste exponentielle et à un rythme variable selon les exemples, pour se transformer en un noyau stable. De même, les noyaux trop gros se désintègrent par radioactivité (généralement en éjectant quatre nucléons) pour réduire leur masse. Les noyaux sont d’autant plus stables que l’énergie de liaison est grande (voir la courbe ci-dessous quand on va de A vers B)

La stabilité se traduit par un maximum de l'énergie de liaison (l'énergie de liaison est l'énergie qu'il faudrait fournir pour casser la liaison) : si un processus peut accroître l'énergie de liaison, il libère de l'énergie s'il se produit. C'est comme un rocher qui chute du sommet d'une montagne : en se rapprochant du sol, il accroît sa liaison avec la Terre et libère de l'énergie lui permettant d'acquérir une vitesse de plus en plus grande.

2. FISSION ET FUSION        

Ces deux processus, s'ils se sont réalisés, produisent une quantité phénoménale d'énergie, typiquement, à masse égale, un million de fois plus qu'une réaction chimique telle la combustion du charbon.

PUF – Que sais-je ? n° 317, 1999 – Paul Reuss
Courbe de libération d'énergie par fusion et fission

Cette réaction en chaîne peut être explosive : c'est ce qui sera réalisé dans une bombe. Dans un réacteur, au contraire, la réaction est maîtrisée, et même autocontrôlée, ce qui conduira à un rythme constant de fissions, donc à une puissance délivrée constante. Par construction, un réacteur ne peut pas devenir une bombe.

En pratique, parmi les noyaux de la nature, seul l'isotope 235 de l'uranium subit facilement la fission, et peut donc être utilisé soit dans une bombe, soit dans un réacteur. Il faut y ajouter quelques noyaux artificiels pouvant jouer le même rôle : les principaux sont le plutonium 239, l'uranium 233.

3. PLACE DE L’ELECTRONUCLEAIRE        

Dès la fin des hostilités, de nombreux pays se sont lancés dans d'ambitieux programmes de développement de l'énergie nucléaire à usage pacifique. En France, par exemple, le Commissariat à l'énergie atomique (CEA) fut créé dès le 18 octobre 1945 par une ordonnance signée par le général De Gaulle. Trois ans plus tard, les chercheurs du CEA faisaient « diverger » (démarrer) à Fontenay-aux-Roses le petit réacteur à eau lourde appelé « Zoé » (aujourd'hui transformé en musée). Un effort de recherche et développement, puis d'industrialisation des filières UNGG , à neutrons rapides et REP suivit. La plupart des pays industrialisés menèrent également des recherches et, pour beaucoup d'entre eux, des constructions de réacteurs de puissance.

La France, cependant, mena l'effort le plus notable à la suite de décisions politiques volontaristes, prises au début des années 1970, pour engager un vaste programme d'équipement en réacteurs à eau sous pression, avec les usines associées, de façon à pallier l'absence quasi totale de sources d'énergie fossiles sur le territoire national. Aujourd'hui la France se détache nettement en terme de pourcentage de nucléaire dans la production d'électricité : environ 75 %. Les 25 % restant sont assurés par l'hydraulique (18 %) et les énergies renouvelables). Cela lui assure une indépendance énergétique sans laquelle elle serait dépendante d’autres nations.

Les spécialistes ont, dès l'origine, été extrêmement sensibles aux risques que présentent les réacteurs et les autres installations du cycle du combustible nucléaire, notamment le retraitement : cela les a amenés a mettre en oeuvre des actions de prévention tout à fait exceptionnelles par rapport à ce qui se fait dans la plupart des autres branches industrielles. Les statistiques montrent que cet effort a été payant, même si quelques accidents se sont produits, en particulier Three Miles Island en 1979, qui n'a pas fait de victime, et Tchernobyl en 1986, dont le bilan complet n'a pas pu être établi (la « cohorte » des « liquidateurs », notamment, n'a pas été suivie médicalement).

La sûreté du nucléaire passe par la prévention (éviter un accident) et par la protection (réduire les conséquences d'un accident s'il se produisait en dépit de toutes les actions de préventions). Cela se décline sur différents modes : la connaissance physique approfondie des systèmes, notamment en séquence accidentelle, la conception, l'exploitation, la maintenance, la sensibilisation et la formation du personnel, la mise au point de plans d'intervention grâce à des exercices... Le principe général est une « défense en profondeur » : en cas de défaillance à un certain niveau, le relais est assuré à un autre niveau ; ainsi, trois barrières, au moins, sont interposées entre les produits radioactifs et l'environnement : par exemple, pour les réacteurs à eau sous pression, les gaines des crayons combustibles, le circuit primaire, puis l'enceinte (voire la double enceinte) de confinement du bâtiment du réacteur. (C'est parce qu'il n'y a pas d'enceinte de confinement pour les réacteurs RBMK que l'accident de Tchernobyl fut si dramatique ; a contrario, cette enceinte a montré son efficacité dans le cas de Three Mile Island.)

En pratique, la sûreté est contrôlée par l’Autorité de Sûreté Nucléaire (ASN) constituée par la Direction Générale de Sûreté Nucléaires et de Radioprotection (DGSNR) pouvant seule délivrer l'autorisation de mise en fonctionnement d'une installation nucléaire ; cette Autorité regroupe les anciennes structures de l'Institut de Protection et Sûreté Nucléaire (IPSN) et de l’Office de Protection contre les Rayonnements Ionisants (OPRI). L’ASN, organisme interministérielle, surveille les Installations Nucléaires de Base (INB) durant toute son existence, notamment en effectuant de nombreuses inspections.

La plus grosse partie des déchets des réactions nucléaires sont des produits de fission pour la plupart de périodes courtes ou moyennes (au maximum 30 ans) : ces produits sont stockés en surface et surveillés ; au bout de trois siècles environ, leur radioactivité se sera quasi complètement éteinte, ce qui aura résolu spontanément et totalement le problème.

L'autre partie, essentiellement des noyaux lourds transmutés mais non fissionnés, est constituée de produits de beaucoup plus longues périodes, jusqu'à des millions d'années, mais d'activité relativement modeste. Ce sont ces produits, « légués » à nos lointains descendants, qui posent un problème éthique. La solution la plus évidente consisterait à les stocker à grande profondeur dans des formations géologiques adéquates, en attendant leur lente décroissance radioactive. Une solution plus radicale consisterait à les incinérer. Des réacteurs spécialisés pour cela ou, mieux, des machines produisant des flux intenses de neutrons par des réactions dites de « spallation » sont étudiés. La loi de 1991 adoptée par le Parlement français a sagement préconisé une période de quinze années de recherches avant que ne soient prises les décisions sur la gestion de ces déchets (ces décisions ne sont pas urgentes car les masses qu'il faut entreposer en attendant sont modestes et faciles à surveiller).

5.4. Le risque de prolifération

Après la guerre et les explosions nucléaires au-dessus de deux grandes villes japonaises, puis la « course aux armements », le risque de prolifération a été très vivement perçu par l'opinion. En particulier, c'est essentiellement pour contrôler ce risque qu'a été créée l'Agence internationale à l'énergie atomique (AIEA) : il fallait éviter que l'arme nucléaire puisse être acquise par de trop nombreux pays, en particulier par ceux qui n'auraient pas hésité à s'en servir.

Ce risque de prolifération est réel, certes, comme l'ont montré, les exemples de l'Irak, de la Corée du Nord et d'autres. Acquérir l'arme nucléaire n'est cependant pas une opération aisée : d'une part, il faut se procurer la matière (pour une bombe, une dizaine de kilogrammes de matière fissile de haute qualité isotopique), soit par enrichissement de l'uranium naturel, soit par conversion de l'uranium 238, voire du thorium, une opération difficile, vu les contrôles de l'AIEA ; d'autre part, la technologie d'une explosion efficace est loin d'être simple, même si les principes généraux sont connus - et même, aujourd'hui, disponibles sur Internet ! -, surtout si l'on veut mettre en oeuvre la fusion thermonucléaire.

6. CONCLUSIONS        

Cependant, compte tenu des réserves limitées des sources classiques, des potentialités également limitées des énergies renouvelables et des besoins de l'humanité qui ne peuvent que croître, il paraît impensable - sauf à imaginer une source d'énergie totalement inconnue aujourd'hui - de voir l'avenir lointain sans la fission et la surgénération.