réacteur nucléaire

Les piles atomiques fonctionnant sur la désintégration du plutonium alimentent depuis plus de soixante ans les stimulateurs cardiaques et les sondes spatiales. Mais la matière première est rare : dans le monde entier, on ne produit que quelques kilogrammes de plutonium-238 par an, et cela suffit tout juste pour les missions les plus importantes.

Le noyau d'un atome est souvent représenté comme une boule dense où protons et neutrons sont mélangés. Mais chez certains isotopes, les neutrons peuvent s'étendre bien au-delà de cette boule, formant une coquille diluée — un halo de neutrons. Cela arrive surtout avec les noyaux qui ont beaucoup plus de neutrons que de protons.

En 1976, des physiciens ont prédit qu'un électron ne se contenterait pas de passer près du noyau, mais pourrait le percuter et lui transférer de l'énergie, le faisant « tressaillir ». Cet effet a été nommé NEEC — excitation nucléaire par capture électronique. Mais pendant près de cinquante ans, il n'a jamais pu être observé en laboratoire.

La course à l'énergie de fusion ressemble à une tentative de capturer un éclair dans une bouteille. Pendant des décennies, les physiciens se sont acharnés à reproduire sur Terre les processus qui alimentent le Soleil.

L'espace vide n'est pas aussi vide qu'il en a l'air. Selon la théorie quantique, le vide est rempli de particules qui naissent et disparaissent continuellement.

Au cœur d'une étoile à neutrons, la matière est si comprimée que les protons et les neutrons familiers laissent place à de nouveaux acteurs. Là naissent les hypérons, des particules qui abritent un quark étrange.

Le pendule le plus précis du monde n'est pas une tige d'acier, mais un minuscule noyau atomique. L'isotope thorium-229 possède un état excité particulier : pour y faire passer le noyau, il faut très peu d'énergie — environ celle d'un laser ultraviolet.

Un balancier que presque rien ne peut déranger, qui ne craint ni les secousses, ni la chaleur, ni les champs magnétiques — parce qu'il est caché au cœur même de l'atome. C'est un tel balancier que des physiciens ont utilisé en mettant en marche pour la première fois une horloge nucléaire.

Les horloges les plus précises actuelles mesurent le temps grâce aux oscillations des électrons dans les atomes. Mais leur marche peut être déréglée, comme un ressort de montre mécanique peut l'être par des secousses. Les physiciens ont trouvé un balancier plus fiable : le noyau atomique.

Les noyaux des atomes sont enveloppés dans de gros manteaux de fourrure électronique – avec une telle tenue, impossible de se faire un câlin. Mais remplacez le manteau léger par un lourd : le muon, une particule du modèle standard, comprime le nuage près de 200 fois.

Le noyau atomique est un ressort naturel d'une force colossale. Lorsque les protons et les neutrons qui le composent se réorganisent, il passe dans un état particulier à longue durée de vie : l'isomère nucléaire. L'énergie y est emmagasinée comme un ressort comprimé à l'extrême.

Le modèle standard est un ensemble de règles décrivant toutes les particules connues. Mais il reste muet sur la matière noire, qui constitue un quart de l'Univers. Pour la trouver, pas besoin de construire des collisionneurs de la taille d'une ville.

Une balançoire ne se met à osciller que si on la pousse en rythme. Décalez légèrement vos poussées, et vos efforts sont perdus. C'est à peu près ainsi que la lumière interagit avec le noyau atomique : en général, un photon n'est absorbé que si son énergie correspond exactement à la différence entre les niveaux nucléaires.

Le laser frappe une cible faite de fils fins — et en quelques dizaines de femtosecondes (milliardièmes de milliardième de seconde), il en arrache un flux de protons. Ces protons pénètrent dans un convertisseur en lithium et deutérium, où naissent des neutrons.

Le noyau de l'atome de thorium-229 est comme une corde de guitare tendue : il vibre à une fréquence strictement définie. Pour en « tirer le son », il faut un coup précis — un faisceau laser d'une couleur bien précise.

Une rivière coule vers un tourbillon, mais sur son chemin se dresse un barrage percé d'une fente. La majeure partie de l'eau s'accumule devant le barrage, mais une partie, après avoir pris de la hauteur, le survole et tombe directement dans le gouffre.

Un faisceau laser aussi ténu qu'un murmure de lumière a fait passer un noyau de thorium-229 dans un état d'énergie supérieur. La plupart des noyaux exigent une décharge d'énergie, mais le thorium-229 possède un intervalle d'énergie si minuscule que même cette caresse douce fonctionne.

Les neutrinos sont de minuscules particules qui traversent la planète comme la lumière traverse une vitre. Chaque seconde, des milliards de ces particules traversent l'ongle de votre petit doigt, mais en attraper ne serait-ce qu'une est un véritable défi.

Lors de la collision de noyaux lourds dans les accélérateurs, de nombreuses particules sont produites, et les physiciens veulent comprendre comment la charge électrique se déplace dans ce chaos. Deux trains entrent en collision : les passagers (les quarks) sont éjectés, mais leurs bagages (la charge) peuvent se retrouver loin du lieu de l'accident.

À l'intérieur du Soleil, des transformations nucléaires invisibles se produisent chaque seconde. L'une d'elles est la naissance du bore-8 : le noyau de béryllium-7 capture un proton qui passe par là et devient, l'espace d'un instant, un nouvel élément.

Un réacteur nucléaire classique ressemble à une chaudière où le combustible brûle uniformément dans tout le volume. Ici, le tableau est différent : le long d'une barre cylindrique en carbure d'uranium rampe lentement une onde de fission — une zone étroite où les atomes se scindent et dégagent de la chaleur.

Un douanier ne peut pas démonter une valise pour savoir ce qu'elle contient. Il la passe aux rayons X et, grâce aux ombres sur l'écran, comprend : voilà du métal, voilà de la matière organique. De la même manière, un inspecteur des futurs traités de désarmement nucléaire devra vérifier une ogive — sans l'ouvrir et sans voir son contenu secret.

Dans une chambre noire où la température n'est que de quatre degrés au-dessus du zéro absolu, repose un cristal de saphir de la taille d'un grain de riz. Lorsqu'un neutrino – particule fantôme qui ne remarque presque pas la matière – le traverse, le cristal frémit et s'échauffe d'une fraction infime de degré.

Dans les entrailles d'une étoile mourante, avant l'explosion de la supernova, des réactions nucléaires déterminent quels éléments chimiques seront dispersés dans l'espace.

Chaque fois que du deutérium et du tritium fusionnent dans un réacteur à fusion, un neutron rapide est émis. Il peut transformer certaines substances en d'autres, par exemple créer des isotopes précieux pour la médecine. Aujourd'hui, ces neutrons coûtent une fortune, car il existe peu d'installations expérimentales et elles fonctionnent rarement.

À l'intérieur du futur réacteur à fusion, un aimant aussi lourd qu'une petite voiture flottera en lévitation. Il maintient le plasma surchauffé comme une main invisible tient un nuage. Autrefois, un tel aimant était jugé inadapté au combustible deutérium-tritium : les flux de neutrons le détruisaient rapidement.

En avril 2023, les satellites japonais ont détecté une éruption de rayons X extrêmement puissante sur l'étoile à neutrons MAXI J1752–457. L'étoile a refroidi en 4 jours — cinq fois plus vite que d'habitude. Comme si quelqu'un avait entrouvert une fenêtre cosmique. Cette fenêtre a été ouverte par le « processus Urca » nucléaire.

L'antiproton est le jumeau du proton, mais avec une charge négative. Lorsqu'un tel jumeau s'approche d'un noyau, il ne rebondit pas simplement : une véritable danse d'attraction et de répulsion s'engage entre eux.

Le noyau atomique vit généralement dans un seul état énergétique, comme une balle posée sur le sol. Mais le thorium-229 fait figure d'exception rare : son noyau peut rester coincé sur une minuscule marche au-dessus du sol — dans ce qu'on appelle l'état isomère.

Chaque année, aux seuls États-Unis, les médecins réalisent plus de 16 millions d'examens avec l'isotope radioactif technétium-99m. Il illumine sur les images le cœur, les os, les poumons, aide à repérer une tumeur ou à vérifier la circulation sanguine. Mais cet isotope ne vit que six heures, on ne peut donc pas le stocker : il faut un approvisionnement constant.

Allumer un soleil miniature est un vieux rêve de l'humanité. En général, les scientifiques tentent de confiner un plasma brûlant (un gaz de particules chargées) à des températures de plusieurs centaines de millions de degrés.

Une étoile mourante ressemble à un immeuble qui s'effondre sur lui-même. Le cœur se comprime à une densité inimaginable, et les couches externes s'y abattent à des dizaines de milliers de kilomètres par seconde. À ce moment naissent les neutrinos – des particules qui ignorent presque la matière ordinaire et emportent l'énergie au loin.

L'aluminium-26 est un isotope qui ne vit pas longtemps à l'échelle cosmique : environ un million d'années. Lorsqu'une étoile massive explose en supernova, elle projette cet aluminium dans l'espace.

Pour que deux noyaux atomiques fusionnent, il faut surmonter leur répulsion électrique féroce — comme si l'on tentait de faire s'accoupler deux taureaux furieux. Dans des conditions normales, seule une énergie colossale, comme celle des cœurs stellaires, peut y parvenir, là où Hans Bethe expliquait déjà la fusion dans les années 1930.

Au cœur des étoiles, des noyaux légers fusionnent, donnant naissance à de l'hélium et à des flux de neutrons. Sur Terre, ce processus est reproduit en combinant du deutérium et du tritium, des isotopes particuliers de l'hydrogène.

Le ballon ATIC s'est élevé au-dessus de l'Antarctique et a capté des particules plus anciennes que la Terre elle-même. Parmi elles, des noyaux atomiques du soufre au chrome, et plus leur énergie est élevée, plus leur proportion par rapport au fer augmente.