Les diverses formes d'énergie

L'énergie se manifeste dans un mouvement, une réaction chimique, un rayonnement, un dégagement de chaleur, un système électrique ou la fission d'un atome.

ÉNERGIE CINÉTIQUE
C’est l’énergie associée au mouvement d’un objet. On a vu qu’elle était proportionnelle à la masse “m” et au carré de la vitesse “v” de l’objet (à condition que cette vitesse soit faible devant celle de la lumière, 300 000 km/s).

ÉNERGIE DE GRAVITATION
Deux corps massifs s’attirent. Cette force, dite de gravitation, est faible pour de petits objets, mais devient importante pour des astres. Ainsi le Soleil et la Terre, la Terre et la Lune, s’attirent ; la pesanteur n’est autre que la force de gravitation exercée par la Terre sur les objets dans son voisinage. À cette force correspond une énergie de gravitation, plus élevée lorsque les corps sont éloignés l’un de l’autre que lorsqu’ils sont proches.

L’énergie de gravitation est dite potentielle, parce qu’elle ne se manifeste à nous que lorsqu’elle se convertit en une autre forme d’énergie. L’énergie potentielle d’une cabine d’ascenseur est plus grande au sixième étage qu’au rez-de-chaussée, car elle est alors plus éloignée du centre de la Terre qui l’attire. Si l’on coupait le câble en neutralisant les freins de sécurité, la cabine tomberait en s’accélérant, son énergie potentielle se transformerait alors en énergie cinétique, plus visible.

L’énergie peut changer de forme. Par exemple, la combustion du pétrole se convertit en chaleur.


De même, l’énergie d’une masse de 1 kg d’eau à la surface d’un lac de barrage est plus élevée que son énergie lorsqu’elle est au pied du barrage. En effet, pour une différence d’altitude de 100 m, la différence d’énergie potentielle est de 981 J. C’est cette énergie qui est exploitée dans une centrale hydroélectrique, où la chute de l’eau actionne des turbines qui entraînent des alternateurs.


ÉNERGIE ÉLASTIQUE
Il s’agit encore d’une énergie potentielle, associée cette fois aux déformations des objets élastiques, par exemple à la tension d’un ressort ou à la compression d’un gaz.

TRAVAIL
Ce terme désigne un transfert d’énergie réalisé en exerçant une force dont le point d’action se déplace. En soulevant un poids, par exemple en remontant de l’eau depuis la base jusqu’au sommet d’un barrage, on lui fournit un travail, qui lui permet d’acquérir une énergie potentielle plus élevée ; le travail fourni à une pompe qui comprime un gaz accroît l’énergie élastique de celui-ci et contribue à l’échauffer.
Les formes d’énergie énumérées jusqu’ici sont des énergies mécaniques.

ÉNERGIE CALORIFIQUE
À l’échelle atomique, la chaleur se traduit par un mouvement désordonné et plus ou moins rapide des molécules. À notre échelle, elle constitue la forme d’énergie mise en jeu lorsque la température varie ou lorsqu’un matériau change d’état (fusion de la glace, évaporation de l’eau). Elle peut se transférer de proche en proche sans se transformer en une autre forme d’énergie (conduction calorifique). Elle peut aussi se convertir en énergie mécanique, dans une turbine, une machine à vapeur, ou un réacteur d’avion, mais cette conversion ne peut être que partielle.

ÉNERGIE ÉLECTRIQUE
Les particules chargées exercent les unes sur les autres des forces électriques. De même qu’une énergie potentielle de gravitation était associée aux forces de gravitation ou de pesanteur, une énergie potentielle électrique est associée aux forces électriques entre charges. Le déplacement de celles-ci dans un circuit s’accompagne de transferts plus ou moins rapides d’énergie, mesurés par la puissance électrique. Une énergie électrique peut se transformer en chaleur dans une résistance (radiateur, réchaud), en travail dans un moteur.

ÉNERGIE RADIATIVE
Un rayonnement transporte de l’énergie, même à travers le vide. Le Soleil nous transmet une puissance de l’ordre de 1 kW par mètre carré, sous forme de lumière visible et de rayonnement infrarouge. Un radiateur nous communique sa chaleur par l’intermédiaire de l’air ambiant, mais aussi directement sous forme de rayonnement infrarouge. Dans le filament d’une ampoule électrique, l’énergie électrique se transforme en chaleur, puis cette chaleur est évacuée principalement sous forme d’énergie radiative, lumineuse et infrarouge.
Un four à micro-ondes communique de la chaleur aux aliments à partir d’une énergie électrique, par l’intermédiaire d’un rayonnement dit de micro-ondes, analogue à celui d’un radar. Inversement, on peut convertir en énergie électrique une partie de l’énergie lumineuse en provenance du Soleil à l’aide de photopiles solaires. Les ondes radio transportent aussi une énergie, certes faible, mais suffisante pour véhiculer du son, des images ou de l’information.

ÉNERGIE CHIMIQUE
L’énergie chimique est associée à la liaison des atomes dans les molécules. Elle est plus élevée lorsque ces atomes sont séparés que lorsqu’ils sont liés en molécules, et cet écart est d’autant plus grand que la liaison est plus forte. Puisqu’elle modifie l’énergie chimique des corps, une réaction chimique s’accompagne d’une transformation de cette énergie en une autre forme d’énergie, le plus souvent en chaleur. Un réchaud à gaz produit ainsi une certaine quantité d’énergie calorifique, égale à la différence entre l’énergie chimique du gaz et de l’oxygène consommés et celle des produits de combustion (vapeur d’eau et dioxyde de carbone). Dans une centrale thermique au charbon ou au fioul, une fraction de la chaleur de combustion est transformée en énergie électrique. Dans un accumulateur ou une pile électrique, une partie de l’énergie chimique libérée par la réaction est directement récupérée sous forme électrique.
Bien que d’apparence dissemblable, les énergies calorifique, électrique, radiative et chimique ont une origine commune : à l’échelle microscopique, toutes sont reliées aux forces électriques entre des particules chargées.

ÉNERGIE NUCLÉAIRE
L’énergie nucléaire est localisée dans les noyaux des atomes. Ces noyaux, 100 000 fois plus petits que les atomes eux-mêmes, sont constitués de particules plus élémentaires – les protons et les neutrons – très fortement liés entre eux. De même que la liaison des atomes en molécules est la source de l’énergie chimique, la liaison des protons et neutrons en noyaux par des forces nucléaires est la source de l’énergie nucléaire. Une réaction nucléaire, en transformant les édifices des noyaux atomiques, s’accompagne ainsi d’un dégagement de chaleur. C’est ce mécanisme qui produit au cœur du Soleil, par fusion des noyaux d’hydrogène en noyaux d’hélium, la chaleur qui sera ensuite rayonnée. Dans nos centrales électronucléaires, nous utilisons une autre réaction nucléaire, la fission des noyaux d’uranium, qui les transforme chacun en deux autres noyaux environ deux fois plus petits ; une partie de la chaleur produite (33 % comme nous l’avons indiqué dans le chapitre “Qu'est-ce que l'énergie ?”, au paragraphe “L'énergie se conserve”) est convertie en électricité.

   DOCUMENT     cea         LIEN

La démarche scientifique

Publié le 19 septembre 2018

Pour comprendre et expliquer le réel en physique, chimie, sciences de la vie et de la Terre, les scientifiques utilisent une méthode appelée la démarche scientifique. Quels sont ses grands principes ? Quels outils sont utilisés pour mettre en place des raisonnements logiques ? Découvrez l’essentiel sur la démarche scientifique.
QU’EST-CE QUE LA DÉMARCHE SCIENTIFIQUE ?

La démarche scientifique est la méthode utilisée par les scientifiques pour parvenir à comprendre et à expliquer le monde qui nous entoure. De façon simplificatrice, elle se déroule en plusieurs étapes : à partir de l’observation d’un phénomène et de la formulation d’une problématique, différentes hypothèses vont être émises, testées puis infirmées ou confirmées ; à partir de cette confirmation se construit un modèle ou théorie. L’observation et l’expérimentation sont des moyens pour tester les différentes hypothèses émises.

L’évolution de la démarche scientifique
au fil du temps
De l’Antiquité à nos jours, les moyens d’investigation sur le monde ont évolué pour aboutir à une démarche dont les fondements sont communs à toutes les sciences de la nature (physique, chimie, sciences de la vie et de la Terre).
Dès l’Antiquité, Hippocrate, médecin grec, apporte de la nouveauté dans son traité « Le pronostic », qui détaille, pour la première fois, un protocole pour diagnostiquer les patients. Ce texte est l’une des premières démarches scientifiques.
Le XVIIe siècle est l’âge d’or des instruments et désormais l'expérience est au cœur de la pratique scientifique : on parle de Révolution scientifique. En plus des observations, les hypothèses peuvent aussi être testées par l’expérience. Par ailleurs, l’invention d’instruments tels que le microscope donne la possibilité aux scientifiques d’observer des éléments jusqu’alors invisibles à l'œil nu, comme les cellules, découvertes par Robert Hooke en 1665.

A partir du XXe siècle, la science se fait de manière collective. Les études scientifiques sont soumises au jugement des « pairs », c’est-à-dire à d’autres scientifiques et toutes les expériences doivent être détaillées pour être reproductibles par d’autres équipes. En contrepartie, la publication dans des revues internationales, et sur Internet dès les années 1990, permet aux chercheurs du monde entier d’accroître la notoriété de leurs idées et facilite l'accès aux sciences pour le grand public. Mais avec l'arrivée de l'informatique, il n'y a pas que la communication qui change, la méthode scientifique aussi se transforme. Il devient plus simple de trier de grands nombres de données et de construire des études statistiques. Il faut cependant faire attention à sélectionner les critères pertinents, car les progrès technologiques apportent aux chercheurs d’immenses quantités d’informations, appelées big data.

LES DIFFÉRENTES ÉTAPES DE LA DÉMARCHE SCIENTIFIQUE
Observation et formulation d’une problématique
A la base de toute démarche scientifique,il y a au départ une observation d’un phénomène et la formulation d’une problématique.
Par exemple, depuis l’Antiquité, certains savants sont convaincus que la Terre est immobile au centre de l’Univers et que le Soleil tourne autour d’elle : c’est l’hypothèse du géocentrisme. Elle est émise car à l’époque, toutes les observations se faisaient à l’œil nu. Vu depuis la Terre, le Soleil peut donner l’impression de tourner autour de nous car il se lève sur l’horizon Est et se couche sur l’horizon Ouest. Cependant, ce n’était qu’une intuition car à ce stade, aucune véritable démarche scientifique n’est engagée.
Plus tard, quand les astronomes ont observé le mouvement des planètes, ils ont vu que le déplacement de certaines planètes forme parfois une boucle dans le ciel, ce qui est incompatible avec un mouvement strictement circulaire autour de la Terre. Le problème fut résolu en complexifiant le modèle : une planète se déplace sur un cercle dont le centre se déplace sur un cercle. C’est la théorie des épicycles.

Les hypothèses et la construction d’un modèle
Une nouvelle hypothèse fut émise par Nicolas Copernic au XVe siècle. Selon lui, le Soleil est au centre de l’Univers et toutes les planètes, dont la Terre, tournent autour de lui. On appelle cette hypothèse « l’héliocentrisme ». Ce modèle rend naturellement compte des rétrogradations planétaires mais possède quand même des épicycles pour décrire leurs mouvements avec plus de précisions.
Durant l’hiver 1609-1610, Galilée pointe sa lunette vers le ciel et découvre les phases de Vénus et des satellites qui tournent autour de la planète Jupiter. Ses observations l’incitent à invalider l’hypothèse géocentrique et à adhérer à l’héliocentrisme.
Petit à petit, cette méthode est devenue générale. Une hypothèse reste considérée comme valide tant qu’aucune observation ou expérience ne vient montrer qu’elle est fausse. Plus elle résiste à l’épreuve du temps, plus elle s’impose comme une description correcte du monde. Cependant, il suffit d’une seule observation contraire pour que l’hypothèse s’effondre, et dans ce cas, c’est définitif. Il faut alors changer d’hypothèse.
Reste que l’héliocentrisme de Copernic s’est d’abord imposé par la qualité des éphémérides planétaires qui en étaient tirées plus que par la force de son hypothèse, certes plus pratique que l’hypothèse géocentrique mais pas confirmée directement. Pour cela, il fallut encore attendre quelques années, le temps que la qualité des instruments d’observation progresse.

L’observation et l’expérimentation
Si la Terre est animée d’un mouvement autour du Soleil alors on devrait constater un effet de parallaxe, c’est-à-dire de variation des positions relatives des étoiles au fil de l’année. L’absence d’une parallaxe mesurable était utilisée contre l’héliocentrisme. C’est en cherchant à mesurer la parallaxe des étoiles que l’astronome anglais James Bradley découvrit en 1727 un autre effet, l’aberration des étoiles, dont il montra qu’elle ne pouvait provenir que de la révolution de la Terre autour du Soleil. La première mesure de parallaxe, due à l’astronome Friedrich Bessel en 1838, vient clore le débat.
Le mouvement de rotation de la Terre ne fut prouvé que plus tard. En 1851 le physicien Léon Foucault mène une expérience publique spectaculaire : un grand pendule est accroché à la voûte du Panthéon de Paris et la lente révolution de son plan d’oscillation révèle la rotation de la Terre sur elle-même.
On trouve là une autre caractéristique de la démarche scientifique. Une fois le modèle mis au point en s’appuyant sur des observations qui le justifient, il faut en tirer des prédictions, c’est-à-dire des conséquences encore non observées du modèle. Cela permet de mener de nouvelles observations ou de bâtir de nouvelles expériences pour aller tester ces prédictions. Si elles sont fausses, le modèle qui leur a donné naissance est inadéquat et doit être réformé ou oublié. Si elles sont justes, le modèle en sort renforcé car il est à la fois descriptif et prédictif.

La communication
Aujourd’hui, la « revue par les pairs » permet de contrôler la démarche scientifique d’une nouvelle découverte, par un collège de scientifiques indépendants. Si les observations et expérimentations vont dans le même sens et qu’elles ne se contredisent pas, la proposition est déclarée apte à être publiée dans une revue scientifique.

QUELS OUTILS POUR DÉCRYPTER
LA SCIENCE ?
La démarche scientifique repose sur la construction d’un raisonnement logique et argumenté. Elle utilise les bases de la logique formelle : l’induction et la déduction.

L’induction
L’induction cherche à établir une loi générale en se fondant sur l’observation d’un ensemble de faits particuliers (échantillon).
L'induction est par exemple utilisée en biologie. Ainsi, pour étudier des cellules dans un organisme, il est impossible de les observer toutes, car elles sont trop nombreuses. Les scientifiques en étudient un échantillon restreint, puis généralisent leurs observations à l’ensemble des cellules. Les scientifiques établissent alors des hypothèses et des modèles dont il faudra tester les prédictions par des observations et des expériences ultérieures.

La déduction
La déduction relie des propositions, dites prémisses, à une proposition, dite conclusion, en s’assurant que si les prémisses sont vraies, la conclusion l’est aussi.
Exemple classique de déduction : tous les hommes sont mortels, or Socrate est un homme donc Socrate est mortel.
La déduction est beaucoup utilisée en physique ou mathématiques, lors de la démonstration d’une loi ou d’un théorème.

Raisonnement du Modus Ponens et du Modus Tollens
Le Modus Ponens et le Modus Tollens sont utilisés par les scientifiques dans leurs raisonnements.
Le Modus Ponens est, en logique, le raisonnement qui affirme que si une proposition A implique une proposition B, alors si A est vraie, B est vraie.
Mais si une implication est vraie alors sa contraposée l’est également (même valeur de vérité selon les règles de la logique formelle). Cela signifie que « la négation de B implique la négation de A » (contraposée de « A implique B »).
Le Modus Tollens est le raisonnement suivant : si une proposition A implique une proposition B, constater que B est fausse permet d’affirmer que A est fausse.
Un exemple : On sait que tous les poissons respirent sous l'eau. Or le saumon est un poisson donc il respire sous l'eau (Modus Ponens). La proposition initiale peut être énoncée sous une autre proposition équivalente (contraposée) : si « je ne peux pas respirer sous l’eau, alors je ne suis pas un poisson ». Cela permet de construire le raisonnement suivant : tous les poissons respirent sous l’eau, or je ne respire pas sous l’eau, donc je ne suis pas un poisson (Modus Tollens).

  DOCUMENT     cea         LIEN

L'ESSENTIEL SUR...
Les déchets radioactifs

Publié le 27 janvier 2015

On appelle déchet radioactif toute matière radioactive qui ne peut plus être ni recyclée ni réutilisée. Du fait de leur radiotoxicité, potentiellement dangereuse pour l’homme et pour l’environnement, les déchets radioactifs sont gérés de façon spécifique. Cette gestion est encadrée par la Loi. 90 % des déchets radioactifs (en volume), produits en France, disposent déjà d’une filière de gestion en stockage ultime. Les déchets de haute activité et de moyenne activité à vie longue (HA et MA-VL) n’ont pas encore de filières définitives de stockage. Ils sont conditionnés et entreposés par leurs producteurs, dans l’attente d’un site de stockage définitif.

DÉCHETS RADIOACTIFS : DÉFINITION
Les déchets radioactifs sont d’une grande diversité : éléments issus des combustibles usés des centrales nucléaires et des activités Défense pour la force de dissuasion, matériaux issus du démantèlement d'installations nucléaires, éléments radioactifs à usage industriel (techniques de contrôle de fabrication, stérilisation) ou médical (imagerie, radiothérapie), éléments issus de la recherche nucléaire…
En France, les déchets radioactifs sont classés selon deux critères :
*         Leur durée de vie, calculée en fonction de la « période radioactive » des radioéléments contenus : la période est le temps au bout duquel la quantité d’un même radionucléide est divisée par deux. Elle varie, selon les radionucléides, de quelques jours à plusieurs milliers d’années. On parle de déchets à vie courte (VC), quand la période est inférieure à 31 ans, et de déchets à vie longue (VL) au-delà.
*        
*         Leur niveau de radioactivité, exprimé en becquerels : cela correspond au nombre de désintégrations d’atomes par seconde. On parle de déchets de très faible activité (TFA), faible activité (FA), moyenne activité (MA) ou haute activité (HA).


Les différentes catégories de déchets radioactifs
En fonction de ces deux critères, il existe 5 catégories de déchets radioactifs :
*         Les déchets de très faible activité (TFA) issus principalement du démantèlement des installations nucléaires : gravats, bétons, ferrailles. Leur radioactivité décroit de manière significative en une dizaine d'années. Ils représentent 27% du volume des déchets radioactifs produits en France et contiennent moins de 0,01% de la radioactivité de l’ensemble des déchets.

*         Les déchets de faible et moyenne activité à vie courte (FMA-VC) : il s'agit essentiellement des déchets liés à la maintenance des installations nucléaires. Une partie provient aussi des hôpitaux ou des laboratoires de recherche. Ce sont des objets contaminés comme des gants, des filtres, des résines… Leur radioactivité décroit de manière significative en 300 ans environ. Les déchets FMA-VC constituent 63% du volume des déchets radioactifs, pour 0,02% de leur radioactivité.
*        
*         Les déchets de faible activité à vie longue (FA-VL) : cette catégorie couvre les déchets radifères (contenant du radium) provenant de minéraux utilisés dans certaines industries et les déchets de graphite issus du démantèlement des réacteurs nucléaires de 1ère génération. Les déchets FA-VL constituent 7% du volume des déchets radioactifs, pour 0,01% de leur radioactivité. 

*         Les déchets de moyenne activité à vie longue (MA-VL), issus du traitement des combustibles usés des centrales nucléaires : structures qui entourent les combustibles usés (coques et embouts) et effluents liquides issus du procédé de retraitement. Les déchets MA-VL constituent 3% du volume des déchets radioactifs, pour 4% de leur radioactivité.

*         Les déchets de haute activité à vie longue (HA-VL) correspondent aux déchets issus du traitement des combustibles nucléaires usés : ils contiennent les « produits de fission » et les « actinides mineurs » formés par les réactions nucléaires dans le combustible lors de son séjour en réacteur. Leur durée de vie peut s'étendre sur plusieurs milliers, voire plusieurs millions d'années. Ils ne représentent que 0,2% du volume des déchets radioactifs mais 96% de la radioactivité totale des déchets radioactifs en France.



ENJEU :
ASSURER UNE GESTION DURABLE
DES DÉCHETS RADIOACTIFS

Les déchets radioactifs contiennent des radionucléides potentiellement dangereux pour l’homme et pour l’environnement. Ils doivent donc être gérés de manière spécifique tout au long de leur durée de nuisance potentielle : inventaire et collecte des déchets radioactifs, conditionnement adaptés, solutions de stockage sûres et pérennes.
Juridiquement, les grands principes de gestion des déchets radioactifs sont indiqués par la loi du 28 juin 2006 relative à la gestion durable des matières et déchets radioactifs.
Ces principes sont les suivants :
*         protection de la santé des personnes et de l’environnement ;
*         réduction de la quantité et de la nocivité des déchets radioactifs ;
*         prévention ou limitation des charges supportées par les générations futures ;
*         principe pollueur-payeur qui prévaut en droit de l’environnement.

L'Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs (Andra) est l’organisme chargé de trouver, mettre en œuvre et garantir des solutions de gestion sûres pour l’ensemble des déchets radioactifs français.
Renouvelé tous les 3 ans, le plan national pour la gestion des matières et des déchets radioactifs (PNGMDR) constitue l’outil privilégié pour mettre en œuvre ces principes. Par ailleurs, tous les 3 ans, un inventaire complet des matières et des déchets radioactifs est réalisé et publié par l’Andra.
Aujourd’hui, 90 % des déchets nucléaires (en volume) produits en France disposent déjà d’une filière de gestion en stockage ultime. L’Andra dispose de centres dédiés de stockage et peut ainsi les gérer de façon industrielle : les déchets de très faible activité (TFA) sont stockés sur le site de Morvilliers (Aube), les déchets de faible et moyenne activité à vie courte (FMA-VC) sont stockés en surface sur le centre de Soulaines (dans l’Aube également).
Pour les déchets FA-VL, une démarche de recherche de site de stockage est conduite par l’Andra depuis 2008. En attendant la création d'un centre pouvant les accueillir, les déchets FA-VL sont entreposés dans des installations spécifiques, le plus souvent sur le lieu même où ils sont produits.
Enfin, les déchets de haute activité (HA) et de moyenne activité à vie longue (MA-VL) n’ont pas non plus de filière définitive de stockage. Dans l’attente d’un site de stockage définitif, ils sont conditionnés et entreposés dans des installations ad hoc par leurs producteurs, principalement à La Hague (Manche), Marcoule (Gard), Cadarache (Bouches-du-Rhône) et Valduc (Côte-d’Or). À terme, ils devraient être stockés sous terre, dans des formations géologiques de grande profondeur. C’est le projet Cigéo (Centre industriel de stockage géologique pour les déchets) de l’Andra, qui fait l’objet d’un débat public durant l’année 2013.


LES RECHERCHES SCIENTIFIQUES
SUR LES DÉCHETS RADIOACTIFS
La gestion des déchets radioactifs s’inscrit dans une démarche de progrès continu. Elle fait donc l’objet de programmes de R&D importants depuis la fin des années 1950, le but étant de minimiser la quantité de déchets, de concentrer la radioactivité et de garantir le confinement dans des conditions sûres.
Les déchets HA et MA-VL font l’objet de programmes de recherches particuliers dont les grandes orientations sont fixées par la loi du 28 juin 2006.
Cette loi définit trois axes de recherche et d’études complémentaires :
*         La séparation/transmutation des actinides mineurs, sous la responsabilité du CEA : il s’agit d’isoler puis de transformer les éléments les plus radiotoxiques en les « transmutant » en d’autres éléments moins radiotoxiques et à vie plus courte. Ces recherches sont menées par le CEA en lien avec celles menées sur les réacteurs nucléaires à neutrons rapides de 4ème génération, capables de réaliser la transmutation. Le CEA a coordonné les travaux de recherche menés par les établissements publics (Andra, CEA, CNRS, Universités) et leurs partenaires industriels (Areva, EDF) afin d’évaluer les perspectives industrielles des technologies étudiées. Un dossier sur le résultat de ces travaux a été remis au gouvernement fin 2012.

Le stockage en formation géologique profonde (projet Cigéo en Meuse / Haute-Marne), sous la responsabilité de l’Andra : le stockage des déchets de haute et moyenne activité à vie longue en formation géologique profonde est retenu par la loi comme solution de référence. Cet axe de recherche correspond au projet Cigéo de l’Andra. Dans le domaine de la R&D, le CEA y contribue avec des études notamment sur le comportement à long terme des colis de déchets en milieu géologique profond et sur la migration des radionucléides dans les couches géologiques.

Le 3ème axe d’étude porte sur l’entreposage des déchets radioactifs HA et MA-VL en attente d’une solution de gestion définitive. Il est aussi confié à l’Andra. Le CEA a contribué à des études de conception de ces installations d’entreposage.

    DOCUMENT     cea         LIEN

LES ACCÉLÉRATEURS DE PARTICULES

A quoi sert un accélérateur de particules ?

De l’étude des constituants ultimes de la matière à la stérilisation dans l’industrie agroalimentaire en passant par l’étude des matériaux, … découvrez à quoi servent les accélérateurs de particules.

Publié le 6 janvier 2016

Depuis la conception technique d'un accélérateur dans les années 1920, les accélérateurs de particules se sont beaucoup développés et ont pris des tailles très diverses, de quelques mètres à quelques dizaines de kilomètres.
On peut classer les accélérateurs en deux grandes catégories :
*         Linéaires, où le faisceau de particules traverse une seule fois l'accélérateur
*         Circulaires, où le faisceau de particules repasse plusieurs fois par les mêmes sections.

Mais il existe beaucoup de sous-catégories selon les techniques d'accélération et il y a des variantes combinant différentes catégories. Les grands centres d'accélérateurs utilisent souvent une suite d'accélérateurs de différents types.
On peut classer les accélérateurs selon leurs utilisations, ce qui correspond d'ailleurs aussi à peu près à leur développement historique.

LES UTILISATIONS DES ACCÉLÉRATEURS DE PARTICULES

Etudier la matière et explorer l’atome
grâce aux collisions de particules

L'objectif premier d'un accélérateur est de communiquer de l’énergie à des particules et de provoquer leurs collisions afin d'étudier leurs natures et leurs propriétés. C'est l'étude des constituants élémentaires de la matière.

Pour comprendre un objet complexe (la matière, sa nature, ses propriétés, son origine), les chercheurs l'analysent, c’est-à-dire le découpent en petits morceaux plus simples à étudier, avec l'espoir de pouvoir ensuite comprendre l'ensemble.

Le plus grand accélérateur de particules au monde servant cet objectif de recherche fondamentale est le LHC au CERN (Suisse). C'est un accélérateur circulaire de 27 km de circonférence, lui-même alimenté en particules (protons ou ions de plomb) par toute une série d'accélérateurs linéaires et circulaires.


Le LHC est le plus puissant accélérateur de particules au monde, localisé à Genève (Suisse). A gauche : son tracé vu du ciel. A droite : le tunnel où il est installé. © CERN


Il existe aussi des accélérateurs linéaires qui servent à faire collisionner les particules comme le SLAC à Stanford (Etats-Unis) de 3 km de longueur, ou le projet international ILC de 30 km de longueur.

Les communautés d'utilisateurs sont essentiellement les physiciens nucléaires (étude du noyau atomique) et les physiciens des particules (étude des constituants du noyau).


Par ailleurs, en France, depuis 1983, les physiciens disposent du Grand accélérateur national d'ions lourds, le Ganil. Cet accélérateur d’ions, reconnu Grande installation européenne depuis 1995, est un équipement commun au CEA et au CNRS dédié aux recherches fondamentales et appliquées en physique nucléaire, en physique atomique et des matériaux. Chaque année, plus de 700 physiciens y sont accueillis pour étudier l’atome et son noyau, dont près de 300 chercheurs étrangers (en majorité européens). Grâce au Ganil, les chercheurs ont fait de nombreuses avancées et découvertes sur la structure du noyau de l'atome, ses propriétés et l’interaction d’ions lourds avec la matière.

Spiral2 (Système de Production d’Ions Radioactifs Accélérés en Ligne) produira et accélèrera dès 2016 des faisceaux d’ions stables parmi les plus intenses du monde. Ils permettront de mener des études jusqu’alors impossibles, ouvrant ainsi de nouveaux horizons à la physique du noyau, dans la continuité des expériences réalisées au Ganil depuis plus de 30 ans. Spiral2 donnera à la France et à l’Europe une réelle avance technologique et scientifique.


Les noyaux exotiques, la spécialité du Ganil
La « spécialité » du Ganil est la production et l’étude des noyaux exotiques. Inexistants sur Terre, ces noyaux qui comportent des proportions anormales de neutrons, représentent près de 90 % des noyaux présents dans l’Univers. Ces noyaux intéressent tout particulièrement les physiciens car leur structure est bien différente de celle des noyaux classiques. En forme de poire, de cacahuète ou de soucoupe volante, … ils bousculent les représentations. Leur étude est essentielle dans de nombreux domaines de la physique nucléaire. Elle permet entre autres de tester les modèles théoriques sur la cohésion du noyau, mais aussi de l’astrophysique, notamment pour comprendre la formation des noyaux des atomes au sein des étoiles. Les noyaux exotiques se révèlent être une véritable mine d’informations (propriétés nouvelles, cohésion accrue, déformations insoupçonnées,…), remettant en cause les connaissances sur le noyau atomique.


Sonder les matériaux en produisant
un rayonnement synchrotron
En voulant étudier la matière de plus en plus profondément, on a besoin d’énergies de plus en plus élevées. Lorsque les trajectoires des particules sont courbées, celles-ci émettent de l'énergie sous forme de lumière appelée rayonnement synchrotron. C'est un phénomène parasite non voulu car l’énergie perdue l’est au détriment de celle de l’accélération. Mais les chercheurs se sont vite rendus compte que ce rayonnement est très directionnel (un peu comme un laser), très puissant, jusqu'à 10 000 fois plus brillant que la lumière solaire, avec un spectre de couleurs très riche, des rayons X jusqu'à l'infrarouge. Ce rayonnement synchrotron peut donc être utilisé comme un microscope, à la fois puissant et souple, pour sonder et analyser des matériaux aussi divers que les cristaux, les semi-conducteurs, le béton, les cellules vivantes ou les œuvres d'art.


Le synchrotron


Nb : ce contenu existe également en version interactive à cette adresse (requiert flash).
Votre navigateur ne permet pas de lire des vidéos.
 
Schéma de principe du synchrotron : Les équipements de base de SOLEIL sont l’accélérateur linéaire, le booster et l’anneau de stockage. Le rayonnement synchrotron est dirigé par des systèmes optiques vers les stations expérimentales. Chaque ligne de lumière constitue un véritable laboratoire de biologie, chimie, sciences de la Terre… © Synchrotron SOLEIL – EPSIM – Jean-François Santarelli

Travail sur la ligne FIP de l'ESRF © D.Morel/CEA
Les accélérateurs spécialement optimisés pour produire le rayonnement synchrotron ont donc été conçus dès les années 1960. Ils sont utilisés par une très large communauté venant de différents domaines, scientifiques (physique, chimie, biologie, etc.) ou techniques (matériaux, œuvres d'art, etc.). De ce fait, ces accélérateurs sont parmi les plus répandus dans le monde. En France, le synchrotron SOLEIL, sur le plateau de Saclay, ou encore l’ESRF à Grenoble relèvent de cette catégorie d’accélérateurs.


SOLEIL est le centre de rayonnement synchrotron français à la fois grand instrument pluridisciplinaire et laboratoire de recherche. © Synchrotron SOLEIL – CAVOK Production/Laurent Persin


Production de rayonnement synchrotron-E-XFEL
Depuis peu, la communauté scientifique s'intéresse aux accélérateurs linéaires produisant des flash de lumière synchrotron ultracourts et auto-amplifiés comme E-XFEL (European X-ray Free Electron Laser) en cours de construction à Hambourg, Allemagne, qui fera 3 km de long. Ici, les trajectoires des électrons sont courbées de façon répétée sur des périodes de l'ordre du centimètre, de telle manière que la lumière émise s'auto-amplifie.

Irradier les matériaux, stériliser et guérir
Avec le développement d’accélérateurs de plus en plus performants et fiables, fournissant des faisceaux de particules avec des propriétés pratiquement à la demande, il est désormais possible de les utiliser pour irradier des cibles de toute nature.

© A.Lorec/CEA
La cible peut être une tumeur maligne à traiter (secteur médical), un aliment à stériliser (secteur sécurité alimentaire), ou encore une cible de spallation destinée à produire des neutrons (secteur recherche scientifique) comme ESS, European Spallation Source, à Lund, Suède. Pour chaque type d'utilisation, il y a donc un accélérateur ou un type d'accélérateur dédié.

   DOCUMENT     cea         LIEN