Voyage au cœur de l’atome

La radioactivité a bien mauvaise réputation. Sa simple évocation suffit à raviver des souvenirs d'accidents industriels¹ et de bombes atomiques². Ce phénomène physique n’a pourtant pas été inventé par les humains, bien au contraire : il les a précédés de plusieurs milliards d’années. « La radioactivité est un processus tout à fait naturel, qui chauffe d’ailleurs l’intérieur de la Terre », indique Gines Martinez, physicien CNRS et directeur du laboratoire Subatech³ à Nantes. Plus près de nous, elle est aussi dans l’air, dans notre alimentation et dans notre corps, mais dans des concentrations trop faibles pour être dangereuse. « La désintégration de l’uranium contenu dans le granit produit du radon, un gaz radioactif bien connu⁴. Les bananes, quant à elles, contiennent du potassium et du carbone radioactifs⁵, tout comme nos os », poursuit le physicien.

Zoom sur l’infiniment petit

Mais en quoi consiste précisément ce phénomène à la fois omniprésent et mal connu ? Pour le comprendre, il faut examiner les entrailles des atomes. Chacun d’entre eux est constitué d’un noyau rempli de particules porteuses de charges électriques positives (protons) ou neutres (neutrons). Autour du noyau s’agite un nuage d’électrons, des particules chargées négativement. 

« Sur Terre, la majorité des noyaux ont un équilibre énergétique stable. Mais il existe aussi des noyaux instables à cause d’un déséquilibre important entre leur nombre de protons et neutrons, explique le chercheur. Ces noyaux ont tendance à se désintégrer spontanément et à se transformer en un autre élément chimique. C’est ce que l’on appelle la radioactivité. » Et ce n’est pas tout ! Durant leur désintégration, les noyaux relâchent une ou plusieurs particules et émettent des rayonnements ionisants. Cela génère de l’énergie. « En fonction des particules qu’ils contiennent, de leur concentration et de leur emplacement, ces rayonnements peuvent causer plus ou moins de dégâts », poursuit Gines Martinez. C’est la raison pour laquelle les technologies nucléaires développées par l’Homme peuvent être très dangereuses.

© THOMAS LOUAPRE / DIVERGENCE — Gines Martinez et Muriel Fallot, physiciens à Nantes, nous expliquent le phénomène de radioactivité.

À de nombreux égards, la compréhension de la radioactivité a profondément marqué l’histoire du 20e siècle. Le phénomène est découvert par le physicien français Henri Becquerel en 1896. Il poursuit ses recherches avec Pierre et Marie Curie. Ensemble, ils passent au crible les éléments les plus “rayonnants” à leur disposition : l’uranium et le thorium, présents naturellement sur Terre, puis le polonium et le radium, produits par la désintégration des deux autres. Les trois chercheurs sont récompensés d’un prix Nobel en 1903, puis Marie Curie à nouveau en 1911.

La recherche prend un nouveau tournant quand, à la fin des années 1930, une équipe de chercheurs berlinois décèle le potentiel énergétique généré par la fission d’un noyau d’uranium. « Lorsqu’il est heurté par une particule lancée à grande vitesse, comme un neutron, ce noyau se casse en deux », détaille Muriel Fallot, maître de conférences à Subatech. La désintégration de ce noyau émet de nouveaux neutrons qui peuvent à leur tour percuter d’autres noyaux d’uranium. « Dans certaines conditions, cela crée une réaction en chaîne qui libère une quantité d’énergie faramineuse ! » De quoi assurer une production d’électricité abondante, ou mettre au point des engins explosifs de destruction massive… Les scientifiques berlinois tentent de garder cette découverte confidentielle, craignant qu'elle ne tombe entre les mains des nazis. Par un concours de circonstances, l’armée américaine réussit à s’en emparer. La suite est tristement connue. En 1945, les premières bombes atomiques déciment les villes japonaises d’Hiroshima et Nagasaki.

Intérêts civils

En France, les recherches amorcées par le CEA⁶ à partir de 1945 visent d’abord à développer les applications militaires. Les projets civils, pour la production d’électricité, ne viennent qu’ensuite. C’est en 1974, juste après le premier choc pétrolier que le gouvernement annonce le premier grand programme de construction de centrales nucléaires. Le principe ? Canaliser l’énergie générée par la fission de l’uranium pour chauffer de l’eau, dont la vapeur fait tourner des turbines qui, à leur tour, transforment cette énergie en courant électrique.

La France compte aujourd’hui 56 réacteurs nucléaires, dont 40 en service qui assurent environ 70 % de la production nationale d’électricité. « Cependant, les ressources planétaires en uranium sont limitées, souligne Muriel Fallot. Des recherches sont en cours pour concevoir des réacteurs capables de fonctionner avec une plus grande diversité de combustibles. »

Depuis la fin du 19e siècle, les travaux sur la radioactivité ont également donné naissance à de nombreuses applications médicales : scanner, radiographie, radiothérapie... Ces technologies utilisent les rayonnements pour diagnostiquer ou soigner certaines maladies telles que les cancers. La scintigraphie consiste par exemple à introduire des atomes radioactifs dans le corps du patient. Les rayonnements émis par leur désintégration sont captés par une caméra, permettant au médecin d’analyser la forme et le fonctionnement des organes.

Technologie attendue

Et la fusion nucléaire dans tout ça ? En théorie plus efficace et plus propre que la fission, l’assemblage de deux noyaux atomiques est une technologie attendue de longue date pour révolutionner la production d’électricité. En effet, elle permettrait de libérer quatre fois plus d’énergie que la fission sans générer de déchets radioactifs à longue durée de vie. Problème, le rapprochement des atomes demande des températures de l’ordre de plusieurs millions de degrés, autant que dans le cœur du Soleil. Les deux chercheurs sont du même avis : « Cela relève encore de la science-fiction ! »