Centrale nucléaire
les isotopes, les centrifuges et stuxnet
 
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L'énergie nucléaire: les isotopes, les centrifugeuses et stuxnet.
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Isotopes

On ne parle pas d'isotopes dans les pages consacrées à l'énergie nucléaire pour ne pas rendre le texte trop indigeste. Un élément se compose de neutrons et de protons (dans le noyau) et d'électrons qui circulent autour dans des couches bien définies. Les caractéristiques d'un élément sont déterminées par le nombres d'électrons sur les couches externes. Il existe ainsi des séries d'élements avec un même nombre d'électrons sur la couche extérieure, ces éléments ont environ les mêmes caractéristiques chimiques (1 électron: métal alcalin, 2 électrons: métaux alcalino-terreux,...): c'est l'organisation du tableau de Mendeleïev.

Un isotope est une version alternative, avec un nombre différent de neutrons. Un neutron n'a pas de charge électrique et ne doit pas être compensé par un nombre identique d'électrons. Les neutrons déterminent par contre la stabilité de l'élément: certaines combinaisons protons/neutrons sont instables et le noyau peut spontanément se désagréger, c'est la radioactivité naturelle de certains isotopes.

Comme le nombre d'électrons est identique, les isotopes ne peuvent pas être séparés par des moyens chimiques traditionnels.

Fission et réaction en chaine

L'uranium naturel se compose principalement de l'isotope U238 (99.3%) très faiblement radioactif et de l'U235 plus fortement radioactif (0.7%). L'uranium naturel, étant trop peu radioactif, ne peut normalement pas être utilisé dans les centrales nucléaires. Il y a trop peu de fissions naturelles pour lancer les réactions en chaine.

Lors de la fission nucléaire, l'élément libère un ou plusieurs neutrons, qui peuvent frapper d'autres atomes, qui vont à leur tour se fracturer. C'est une réaction en chaine qui se met en route si certaines conditions sont remplies (masse critique et présence de composants qui influencent les neutrons). Certains composants absorbent les neutrons mais ne se fracturent pas (comme le bore), d'autre composants réduisent la vitesse des neutrons, les rendants plus efficaces pour fracturer les atomes (comme le graphite, qui est un modérateur). L'eau est à la fois un absorbeur de neutrons et un modérateur. L'eau lourde (voyez plus loin) est uniquement un modérateur.

L'uranium doit être enrichi en U235 pour la plupart des applications. Cela ne peut pas se faire en se basant sur des réactions chimiques, les isotopes étant chimiquement identiques. On doit se baser sur la légère différence de masse. Il y a une différence de masse de 0.4% entre les deux isotopes. C'est très peu, mais c'est la seule façon d'effectuer la séparation.

Centrifugeuses

Les isotopes doivent d'abord être transformés en gaz, ce qui n'est possible que sous forme d'hexafluorure d'unrnium (UF6). On utilise des centrifuges à phase gazeuse pour séparer les isotopes, en se basant sur leur poids moléculaire. Comme la différence est minime, il faut de très nombreuses centrifuges.

L'uranium enrichi pour pouvoir être utilisé dans les centrales nucléaires a un taux d'enrichissement de 4% environ, c'est suffisant pour entretenir les réactions en chaine dans un réacteur nucléaire civil. L'uranium pour les bombes nucléaires doit avoir un taux d'enrichissement de 90% ou plus, pour être sûr que la réaction en chaine soit suffisamment rapide, car les composants sont dispersés par l'explosion.

L'uranium appauvri a une teneur en radio-éléments de 0.2 à 0.4% selon la filière (traitement de l'uranium naturel ou traitement de l'uranium enrichi ayant été utilisé dans une centrale). La composition en isotopes est également différente, l'uranium appauvri en provenance d'une centrale contient des isotopes fortement radioactifs.

De par sa forte masse, il est utilisé comme blindage pour certains chars et comme projectile du genre obus-flèche (pour percer ces mêmes chars). Les petits fragments d'uranium sont pyrophoriques (ils s'enflamment spontanément) tout comme le magnésium ou l'aluminium, ce qui augmente les dégats d'un tel projectile.

Eau lourde à la place de l'enrichissement

Pendant la seconde guerre mondiale, les allemands n'avaient pas les moyens d'enrichir l'uranium. Une alternative est d'utiliser un réacteur surgénérateur, qui transforme une partie de la matière non radioactive en matière radioactive. Ce surgénérateur doit utiliser de l'eau lourde qui absorbe moins les neutrons (car l'uranium naturel peu fissible produit peu de fissions et donc également peu de neutrons).

L'eau lourde se compose d'oxygène et de deutérium, qui est un isotope de l'hydrogène. Le deutérium est un isotope stable, très peu présent dans la nature (0.015% par rapport à l'hydrogène). La séparation est par contre plus simple, car la différence de poids est plus importante. L'eau lourde était fabriquée en Norvège pendant la seconde guerre mondiale, mais plusieurs bombardements et sabotages ont empèché une production suffisante.

Stuxnet

La centrifuge à phase gazeuse est actuellement le moyen le plus aisé pour la séparation isotopique. La centrifuge tourne dans un conteneur où on a fait le vide (pour limiter le freinage). L'isotope plus lourd est receuilli à l'extérieur, tandis que l'isotope plus léger se retrouve au centre. Une circulation du gaz est mise en route pour améliorer la séparation. Les centrifuges tournent à une vitesse très élevée (plus de 50.000 tours/minute), le moteur doit être alimenté par un variateur de fréquence adapté pour pouvoir atteindre ces vitesses.

L'Iran tente également d'enrichir l'uranium, jusqu'à présent ils n'ont atteint qu'un taux d'enrichissement d'environ 5%, insuffisant pour produire une bombe nucléaire. Mais pour éviter une prolifération, les Etats Unis (probablement aidés par Israel) ont créé un virus qui s'attaque principalement aux systèmes d'enrichissement.

Les centrifuges semblent très simples, ce sont des tuyaux allongés (environ 4m de long) dans lequel on a fait le vide. A l'intérieur, il y a la centrifuge même, qui tourne très rapidement. Chaque centrifuge a simplement trois tuyaux: une arrivée de gaz et deux sorties. Les gaz enrichis vont à la centrifuge suivante pour augmenter la concentration, tandis que les gaz apauvris vont à la centrifuge précédente.

Les centrifuges allongées sont très sensibles à certaines fréquences de résonance: le moteur doit rapidement atteindre sa vitesse nominale pour passer la bande où se trouvent les fréquences de résonance. Le virus se propage via des ordinateurs windows et s'installe sur l'API même (Siemens Simatic). Le virus controle alors son environnement, et quand il se rend compte qu'il est installé dans une installation de séparation isotopique (commande de moteurs à très haute vitesse), il modifie régulièrement la vitesse de rotation pour la faire passer dans la bande critique. Une partie des centrifuges a ainsi été détruite par le virus présent dans l'API Siemens même.

Le but ici n'était pas de détruire toutes les centrigugeuses en une fois, cela se remarquerait directement (il y avait 4000 centrifugeuses en opération et 5000 en réserve). Le but était de produire des pannes fréquentes, plongeant les techniciens dans le désarroi.

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