HAMBOURG – Il y a environ 60 ans, la découverte de la puissance nucléaire promettait la solution ultime aux problèmes énergétiques du monde. Aujourd’hui, cette promesse demeure non tenue. Le développement de la technologie nucléaire stagne et les centrales nucléaires fonctionnent encore avec une technologie développée il y a un demi siècle.
L’énergie nucléaire est produite dans les processus de désintégration d’éléments lourds comme l’uranium ou le thorium. Les noyaux de leurs atomes se désintègrent généralement en deux noyaux plus petits et une paire de neutrons, libérant une énergie des millions de fois supérieure à ce que n’importe quel autre processus chimique ne pourrait jamais produire. La raison pour laquelle les éléments lourds contiennent tant d’énergie est qu’ils ont emmagasiné une fraction de l’énergie relâchée dans l’explosion de la supernova qui est à l’origine de la création de notre Terre et du système solaire il y a environ cinq milliards d’années.
Les centrales d’aujourd’hui utilisent comme combustible un type particulier d’uranium, l’U235, qui est consumé dans une chaine de processus par lesquels les neutrons obtenus par désintégration atomique produisent la désintégration suivante. Ni l’uranium 238, qui est environ cent fois plus abondant que l’U235, ni le thorium, qui est encore plus accessible, ne sont utilisés pour produire de l’énergie à grande échelle.
En effet, en principe, chaque élément lourd, même le plomb, est une source potentielle d’énergie nucléaire. Quiconque a étudié les processus de désintégration nucléaire a pu être surpris par la myriade de possibles manières de produire de l’énergie.
Les progrès réalisés pour améliorer l’accès à cette ressource ont cependant été très lents. D’un point de vue scientifique, le principal problème est un manque de connaissance. Malgré l’existence de centaines de centrales nucléaires fonctionnant correctement, notre compréhension des forces atomiques n’est qu’empirique, et la connaissance empirique est toujours imparfaite.
Par exemple, en produisant de l’énergie nucléaire, les réactions de désintégration se répètent à plusieurs reprises, et les imperfections de chaque répétition résultent en une perte de puissance prédictive des computations. Cela entrave le processus d’optimisation et constitue l’une des principales raisons pour expliquer que plusieurs projets d’envergure étudiant la production d’énergie utilisant l’uranium 238 ou le thorium (surgénérateur) ont été fermés en Europe et aux Etats-Unis avant d’être parvenus au niveau de performance attendu.
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Un autre problème concerne les déchets nucléaires provenant de la production de l’énergie dans le processus de désintégration. Les déchets peuvent être substantiellement, ou même complètement, réduits si nous utilisons une forme alternative de désintégration nucléaire qui est déclenchée par l’accélération externe des particules. Ici aussi, cependant, nous avons besoin de connaissances plus précises des propriétés des processus nucléaires.
La force qui lie les noyaux atomiques est un cas particulier de «amp#160;force forteamp#160;», l’une des quatre forces fondamentales dans la nature, et est extrêmement difficile à étudier parce qu’elle agit très rapidement et violement. Il y a environ 50 ans, il avait été proposé d’étudier les forces fortes en projetant les protons les uns contre les autres à des énergies très élevées.
L’accélération des particules à une énergie élevée ralentit tous les processus physiques, parce que, selon la théorie de la relativité d’Einstein, le temps s’écoule plus lentement pour les objets qui se déplacent rapidement. Dans la mesure où les protons sont les noyaux les plus simples, il était espéré que, à énergie élevée, les forces agissant lors de l’éclatement des protons pouvaient être observées et analysées comme dans un film projeté au ralenti, permettant une compréhension précise de la force forte.
Plusieurs centres importants de recherche sur les accélérateurs ont été construits, et la dispersion des particules à des énergies élevées a révélé une structure fascinante de la matière. On a découvert que les nouvelles particules, appelées gluons, modèrent la force forte. Leur découverte devrait aussi donner des indices pour une connaissance plus précise de la force forte.
A courtes distances, les gluons créent une force d’attraction qui est assez faible et bien comprise. Mais, à des distances plus importantes, comparables au rayon du proton, la force devient vraiment forte, et un très grand nombre de gluons est impliqué, formant des structures compliquées qui ne sont pas bien connues aujourd’hui. Donc, pendant un certain temps, on ne s’attendait pas à ce que les propriétés de la force forte puissent directement dériver des propriétés des gluons.
Ces dernières années, cependant, les expériences conduites à l’accélérateur de particules HERA à Hambourg en Allemagne ont permis d’observer les effets de la forte interaction au ralenti, qui pourraient ouvrir la voie à une connaissance précise de la force forte. A l’accélérateur HERA, la dispersion d’électrons sur les protons a été étudiée à des énergies les plus élevées jamais tentées auparavant pour ce type d’expérimentation. amp#160;
La machine HERA a fonctionné de 1992 jusqu’en 2007. L’une de ses découvertes les plus importantes fut que différents phénomènes distincts observés à énergies élevées et à courtes distances pouvaient clairement être attribués à l’émission de gluons et à l’émergence de structures gluoniques. Par l’observation des modifications de ces structures tandis que la distance était augmentée, il devrait être possible de suivre – et donc de comprendre – l’action de la force forte.
L’apparition de telles structures gluoniques était inattendueamp#160;; les expérimentations à HERA n’étaient pas destinées à les étudier. Mais les expérimentations précises nécessaires à la mesure de la force forte peuvent être conçues et construites avec une technologie connue. Deux grands groupes de physiciens – l’un concentrée autour des laboratoires Brookhaven et Jefferson National aux Etats-Unis et l’autre autour du CERN à Genève – proposent donc de redémarrer les investigations sur les interactions électron-proton.
L’étude de ces interactions devrait apporter une compréhension précise de la force forte. Et, comme l’a montré l’histoire de la physique, une meilleure compréhension des forces naturelles devrait ouvrir la voie à des possibilités nouvelles et totalement inattendues. Par exemple, notre compréhension de la force électromagnétique, développée principalement au dix-neuvième siècle et au début du vingtième, a permis de parvenir aujourd’hui à des développements révolutionnaires dans les télécommunications, l’informatique, la chimie et les sciences de la matière.
Une compréhension précise de la force forte pourrait être d’ampleur similaire, ouvrant la voie à de nouvelles manières d’utiliser l’énergie nucléaire tout en résolvant les problèmes de sécurité et des déchets nucléaires.
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At the end of a year of domestic and international upheaval, Project Syndicate commentators share their favorite books from the past 12 months. Covering a wide array of genres and disciplines, this year’s picks provide fresh perspectives on the defining challenges of our time and how to confront them.
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HAMBOURG – Il y a environ 60 ans, la découverte de la puissance nucléaire promettait la solution ultime aux problèmes énergétiques du monde. Aujourd’hui, cette promesse demeure non tenue. Le développement de la technologie nucléaire stagne et les centrales nucléaires fonctionnent encore avec une technologie développée il y a un demi siècle.
L’énergie nucléaire est produite dans les processus de désintégration d’éléments lourds comme l’uranium ou le thorium. Les noyaux de leurs atomes se désintègrent généralement en deux noyaux plus petits et une paire de neutrons, libérant une énergie des millions de fois supérieure à ce que n’importe quel autre processus chimique ne pourrait jamais produire. La raison pour laquelle les éléments lourds contiennent tant d’énergie est qu’ils ont emmagasiné une fraction de l’énergie relâchée dans l’explosion de la supernova qui est à l’origine de la création de notre Terre et du système solaire il y a environ cinq milliards d’années.
Les centrales d’aujourd’hui utilisent comme combustible un type particulier d’uranium, l’U235, qui est consumé dans une chaine de processus par lesquels les neutrons obtenus par désintégration atomique produisent la désintégration suivante. Ni l’uranium 238, qui est environ cent fois plus abondant que l’U235, ni le thorium, qui est encore plus accessible, ne sont utilisés pour produire de l’énergie à grande échelle.
En effet, en principe, chaque élément lourd, même le plomb, est une source potentielle d’énergie nucléaire. Quiconque a étudié les processus de désintégration nucléaire a pu être surpris par la myriade de possibles manières de produire de l’énergie.
Les progrès réalisés pour améliorer l’accès à cette ressource ont cependant été très lents. D’un point de vue scientifique, le principal problème est un manque de connaissance. Malgré l’existence de centaines de centrales nucléaires fonctionnant correctement, notre compréhension des forces atomiques n’est qu’empirique, et la connaissance empirique est toujours imparfaite.
Par exemple, en produisant de l’énergie nucléaire, les réactions de désintégration se répètent à plusieurs reprises, et les imperfections de chaque répétition résultent en une perte de puissance prédictive des computations. Cela entrave le processus d’optimisation et constitue l’une des principales raisons pour expliquer que plusieurs projets d’envergure étudiant la production d’énergie utilisant l’uranium 238 ou le thorium (surgénérateur) ont été fermés en Europe et aux Etats-Unis avant d’être parvenus au niveau de performance attendu.
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Un autre problème concerne les déchets nucléaires provenant de la production de l’énergie dans le processus de désintégration. Les déchets peuvent être substantiellement, ou même complètement, réduits si nous utilisons une forme alternative de désintégration nucléaire qui est déclenchée par l’accélération externe des particules. Ici aussi, cependant, nous avons besoin de connaissances plus précises des propriétés des processus nucléaires.
La force qui lie les noyaux atomiques est un cas particulier de «amp#160;force forteamp#160;», l’une des quatre forces fondamentales dans la nature, et est extrêmement difficile à étudier parce qu’elle agit très rapidement et violement. Il y a environ 50 ans, il avait été proposé d’étudier les forces fortes en projetant les protons les uns contre les autres à des énergies très élevées.
L’accélération des particules à une énergie élevée ralentit tous les processus physiques, parce que, selon la théorie de la relativité d’Einstein, le temps s’écoule plus lentement pour les objets qui se déplacent rapidement. Dans la mesure où les protons sont les noyaux les plus simples, il était espéré que, à énergie élevée, les forces agissant lors de l’éclatement des protons pouvaient être observées et analysées comme dans un film projeté au ralenti, permettant une compréhension précise de la force forte.
Plusieurs centres importants de recherche sur les accélérateurs ont été construits, et la dispersion des particules à des énergies élevées a révélé une structure fascinante de la matière. On a découvert que les nouvelles particules, appelées gluons, modèrent la force forte. Leur découverte devrait aussi donner des indices pour une connaissance plus précise de la force forte.
A courtes distances, les gluons créent une force d’attraction qui est assez faible et bien comprise. Mais, à des distances plus importantes, comparables au rayon du proton, la force devient vraiment forte, et un très grand nombre de gluons est impliqué, formant des structures compliquées qui ne sont pas bien connues aujourd’hui. Donc, pendant un certain temps, on ne s’attendait pas à ce que les propriétés de la force forte puissent directement dériver des propriétés des gluons.
Ces dernières années, cependant, les expériences conduites à l’accélérateur de particules HERA à Hambourg en Allemagne ont permis d’observer les effets de la forte interaction au ralenti, qui pourraient ouvrir la voie à une connaissance précise de la force forte. A l’accélérateur HERA, la dispersion d’électrons sur les protons a été étudiée à des énergies les plus élevées jamais tentées auparavant pour ce type d’expérimentation. amp#160;
La machine HERA a fonctionné de 1992 jusqu’en 2007. L’une de ses découvertes les plus importantes fut que différents phénomènes distincts observés à énergies élevées et à courtes distances pouvaient clairement être attribués à l’émission de gluons et à l’émergence de structures gluoniques. Par l’observation des modifications de ces structures tandis que la distance était augmentée, il devrait être possible de suivre – et donc de comprendre – l’action de la force forte.
L’apparition de telles structures gluoniques était inattendueamp#160;; les expérimentations à HERA n’étaient pas destinées à les étudier. Mais les expérimentations précises nécessaires à la mesure de la force forte peuvent être conçues et construites avec une technologie connue. Deux grands groupes de physiciens – l’un concentrée autour des laboratoires Brookhaven et Jefferson National aux Etats-Unis et l’autre autour du CERN à Genève – proposent donc de redémarrer les investigations sur les interactions électron-proton.
L’étude de ces interactions devrait apporter une compréhension précise de la force forte. Et, comme l’a montré l’histoire de la physique, une meilleure compréhension des forces naturelles devrait ouvrir la voie à des possibilités nouvelles et totalement inattendues. Par exemple, notre compréhension de la force électromagnétique, développée principalement au dix-neuvième siècle et au début du vingtième, a permis de parvenir aujourd’hui à des développements révolutionnaires dans les télécommunications, l’informatique, la chimie et les sciences de la matière.
Une compréhension précise de la force forte pourrait être d’ampleur similaire, ouvrant la voie à de nouvelles manières d’utiliser l’énergie nucléaire tout en résolvant les problèmes de sécurité et des déchets nucléaires.