How is a nuclear reactor used for science? - Transcription

Si vous parlez avec mes amis, ils vous diront que je ne suis pas du genre à encourager les autres à « avoir foi en l’humanité ». Je suis peut-être un peu trop « fixé » sur certains comportements décevants que j’ai observés dans la société. En dépit de l’expérience que j’ai eu des gens partout ailleurs, pourtant, mon lieu de travail m’a montré qu’il y avait de l’espoir et de bonnes raisons d’avoir confiance en la génération suivante ou celle d’après.

Diapositive nº 1 Salle du réacteur NRU

Voici mon lieu de travail. Vous pouvez y voir quelques personnes, ce qui vous donne une idée de l’échelle. Cette salle a la taille d’une cathédrale. Il s’agit du réacteur de recherche NRU, un réacteur nucléaire utilisé à des fins scientifiques. J’aimerais vous faire part de quelques histoires remarquables, qui illustrent bien l’imagination déployée et les réalisations qui ont vu le jour grâce au réacteur NRU. Qui aurait dit que l’installation scientifique la plus productive du Canada se trouvait bien cachée, pas très loin d’Ottawa?

Alors, nous avons deux problèmes, là, tout de suite : « Peut-on vraiment dire que le réacteur NRU est l’installation scientifique la plus productive jamais construite au Canada? N’est-ce pas un peu audacieux? » Et, puis, plus simplement : « Que signifie l’acronyme NRU? » C’est facile : NRU correspond à National de Recherche Universel, dans « réacteur nationale de recherche universel »; un nom étrange mais bien commode pour désigner une installation qui a permis de réaliser d’importants progrès dans tous les domaines scientifiques : physique, chimie, biologie, ingénierie. Il s’agit donc bien d’une installation universelle. Mais tous les employés l’appellent réacteur NRU. En ce qui concerne ses réalisations pour le Canada et le monde entier : le réacteur NRU a permis d’acquérir les connaissances de base qui ont lancé et maintenu deux industries internationales représentant plusieurs milliards de dollars, une dans le secteur de l’énergie et une dans le secteur de la santé. Le réacteur NRU a directement touché la vie de centaines de millions de personnes et a permis de lancer un nouveau champ des sciences physiques qui a été couronné d’un prix Nobel (je reviendrais sur ce point un peu plus tard). Il existe plusieurs autres installations scientifiques de renom au Canada qui, ensemble, constituent l’infrastructure scientifique nationale du pays, mais le réacteur NRU se distingue parmi toutes.

Comment utilise-t-on un réacteur nucléaire à des fins scientifiques? De quelle manière la scission des atomes peut être utile?

Diapositive nº 2 Atomes

J’ai appris à l’école que tout, dans le monde, est composé d’atomes, assimilés à de petits blocs de construction. Il existe seulement 92 types d’atomes différents. Nous les avons nommés calcium, azote ou encore sodium. Chaque atome a un noyau, composé de protons et de neutrons, et des électrons, minuscules, tournent autour du noyau. Le terme « nucléaire » signifie simplement « à propos du noyau ». La chimie consiste à joindre des atomes les uns aux autres : deux H et un O donne H2O. Dans un réacteur nucléaire, nous nous intéressons à ce qui se passe à l’intérieur des atomes.

Les réacteurs nucléaires utilisent un atome spécifique, le plus lourd de tous : l’uranium. Les atomes d’uranium ont une propriété particulière. Quand on ajoute un neutron à un atome d’uranium, il devient trop lourd. Il n’aime pas cet état, et se scinde en deux moitiés. Chacune de ces moitiés est un atome d’environ la moitié de la taille de l’atome d’uranium. Deux ou trois neutrons et de l’énergie sont également libérés.

Diapositive nº 3 Fission

Vous me suivez? C’est en raison de l’ajout d’un neutron que l’atome s’est scindé, en créant deux ou trois neutrons supplémentaires, et maintenant que ces neutrons sont là, le processus peut se reproduire à l’infini : ajout de neutrons aux atomes d’uranium, scission des atomes, et production d’encore plus de neutrons.

Nous avons tout de même besoin de deux autres choses. En effet, lorsqu’un atome d’uranium est scindé, les neutrons qui se dégagent se déplacent trop vite pour se joindre à un autre atome d’uranium. Il faut donc ralentir ces neutrons, et ce, en les faisant se heurter à un obstacle. Pour cela, les objets les plus appropriés sont de petits atomes d’une taille similaire à un neutron. L’hydrogène est idéal, et l’on en trouve beaucoup dans l’eau (H20). Et puis, enfin, pour arrêter la réaction en chaîne, il faut un autre matériau, dont le travail sera d’absorber les neutrons.

Voilà donc à quoi ressemble l’intérieur du réacteur NRU : de longues barres d’uranium, entourées d’eau dans un grand réservoir, ainsi que des barres de cobalt permettant d’absorber tous les neutrons lorsque nous souhaitons stopper la réaction en chaîne.

Comme vous pouvez le constater, le réacteur NRU est une importante installation scientifique, qui est en fait très simple : un grand réservoir d’eau qui permet de créer des milliers de milliards de neutrons.

En 1957, lorsque le réacteur NRU a commencé à être utilisé, le Canada disposait d’un nouvel outil extrêmement puissant. Les concepteurs ne prétendaient pas savoir à quelles fins le réacteur serait utilisé à l’avenir; ils se sont juste assuré qu’il y avait suffisamment de trous d’accès pour qu’une grande variété d’expériences puissent être menées avec les neutrons. Le réacteur NRU était beaucoup plus puissant que les réacteurs de recherche plus petits qu’ils l’avaient précédé, mais je dois dire que l’innovation avait démarré dès le moment où ces premiers réacteurs de recherche avaient été disponibles : le réacteur NRU a été le point d’orgue. Je suis toujours étonné par les récits de ce que les scientifiques et les ingénieurs ont réussi à accomplir une fois cet outil entre leurs mains. Permettez-moi de vous présenter trois exemples d’innovation exceptionnels pour illustrer mes propos.

Une fois les premiers réacteurs disponibles, et avec l’arrivée du réacteur NRU, les scientifiques de l’époque ont été tout excités à l’idée que, désormais, il était possible de fabriquer des isotopes.

Diapositive nº 4 Isotopes

Le noyau d’un atome se compose d’un ensemble de protons et de neutrons. Les neutrons ne servent pas à grand-chose. Ils affectent le poids de l’atome, principalement. Lorsqu’on lui ajoute un neutron, un atome devient plus lourd. Il s’agit toujours d’un atome de fer, d’oxygène ou de carbone, mais il est plus lourd. Deux mêmes atomes, mais qui ont un poids différent, s’appellent des isotopes. Lorsque le réacteur NRU fonctionne, on compte un milliard de neutrons par centimètre cube au sein de son cœur. Par conséquent, si on place une masse quelconque à l’intérieur, cette dernière peut capter les neutrons et les atomes qu’elle contient deviennent plus lourds. La raison pour laquelle les scientifiques voulaient fabriquer des isotopes est la suivante : certains isotopes ne se contentent pas d’être plus lourds que leurs cousins, ils sont également instables. En raison de leur poids supplémentaire, ils veulent expulser de l’énergie afin de regagner un état plus stable. Cette énergie est un rayon X, et les scientifiques ont déterminé deux manières très utiles d’utiliser les rayons X pour aider les patients.

Le réacteur NRU permet de produire des isotopes qui forment des rayons X à faible énergie, et ces isotopes sont injectés aux patients par les médecins afin de créer une image, un tomodensitogramme, qui aide à diagnostiquer une large gamme de maladies. Au cours d’une année ordinaire, le réacteur NRU permet de produire suffisamment de rayons X pour aider 5 millions de patients dans le monde entier, ce qui a une incidence énorme pour soutenir les patients et leur famille.

Le réacteur NRU permet aussi de produire des isotopes, comme le cobalt-60, qui émettent des rayons X très puissants qui détruisent toutes les cellules vivantes avec lesquelles ils entrent en contact. Le cobalt-60 produit par le réacteur NRU est utilisé pour tuer les cellules cancéreuses. Les machines vendues par les entreprises canadiennes ont eu des répercussions importantes en Afrique et dans les pays en voie de développement, où 16 millions de patients bénéficient chaque année d’une technologie qui a vu le jour au Canada.

Au fil des années, le réacteur NRU a produit des matières permettant d’administrer plus d’un demi-milliard de traitements à des patients dans plus de 80 pays. Un demi-milliard.

Diapositive nº 5 Réacteur NRU

Une deuxième idée, très différente de la première, est née parmi les scientifiques et les ingénieurs lorsque le réacteur NRU a été conçu et construit, à savoir l’idée d’utiliser la chaleur produite par une réaction nucléaire pour faire bouillir de l’eau, produire de la vapeur, faire tourner une turbine et un générateur pour produire de l’électricité. Le défi était de taille : personne ne connaissait vraiment les conditions extrêmes présentes dans le cœur d’un réacteur nucléaire, avec ses milliards de neutrons voltigeant partout. Lorsqu’un neutron frappe un atome de l’acier ou du béton qui constitue l’ensemble de la structure, il peut déplacer cet atome ou créer une réaction en chaîne; il était donc important de bien choisir les types de matériaux de construction, des matériaux qui demeureraient solides dans cet environnement.

Ces conditions extrêmes sont présentes dans les réacteurs de recherche, mais les réacteurs nucléaires qui produisent de l’électricité sont beaucoup plus grands et coûtent très cher – un peu comme un barrage hydroélectrique. Une fois qu’ils fonctionnent, ils produisent constamment de l’électricité de manière fiable et à bas coût pendant des décennies; vraiment, c’est investissement comparable à un barrage hydroélectrique. Mais si l’on choisit les mauvais matériaux, le réacteur peut cesser de fonctionner rapidement et ruiner ainsi cet investissement important. Les ingénieurs se sont donc servis du réacteur NRU comme banc d’essai. Ils ont placé des échantillons de matériaux dans le réacteur NRU pour qu’ils subissent les conditions extrêmes de la réaction de la fission, puis ils ont utilisé les connaissances recueillies pour choisir les meilleurs matériaux possibles afin de construire les réacteurs géants qui produisent de l’électricité. Dans les décennies qui ont suivi, le réacteur NRU a continué de servir à produire des connaissances qui ont servi à résoudre les plus grands défis auxquels ont été confrontées ces grandes puissances (au sens littéral) de l’économie canadienne.

Grâce à un groupe de scientifiques et d’ingénieurs innovants qui ont utilisé le réacteur NRU pour répondre à des questions d’ordre pratique, le Canada a été en mesure de construire une flotte de réacteurs nucléaires qui génère un sixième de l’électricité du pays. En Ontario, plus de 50 % de l’électricité provient du nucléaire, et tout cela sans générer le moindre gaz à effet de serre.

La dernière histoire dont je souhaite vous faire part porte sur la façon dont un tout nouveau secteur scientifique a vu le jour au Canada.

Diapositive nº 6 Bert Brockhouse devant un spectomètre de neutrons

En 1950, Bert Brockhouse, un jeune homme brillant qui avait servi à titre d’opérateur de sonar pendant la Deuxième Guerre mondiale, s’est retrouvé dans les laboratoires nucléaires de Chalk River, où le réacteur NRU était en cours de construction, et où son prédécesseur, le réacteur NRX, était déjà en fonctionnement. Dans le cadre de son travail dans ces réacteurs de recherche, Bert faisait partie d’une équipe qui concevait et construisait des machines spécialisées permettant de diriger un faisceau de neutrons sur un échantillon de matériau, puis de mesurer de quelle manière ces neutrons se dispersaient sur la structure moléculaire de l’échantillon. Il s’agissait d’une toute nouvelle technique qui permettait aux scientifiques de comprendre de quelle façon les matériaux étaient liés entre eux au niveau moléculaire. Mais voici la part de magie : cette technique peut être utilisée pour analyser presque tous les matériaux, le métal, le verre, le plastique, les semiconducteurs, la céramique, le gel, et même les matières dont nous sommes composés : les matériaux biologiques. Bert avait simplement besoin du puissant réacteur NRU, et son imagination a fait le reste.

Bert Brockhouse a remporté en 1994 le prix Nobel de physique pour cette innovation. À cette époque, presque tous les pays développés possédaient un réacteur de recherche qui était utilisé pour mener des recherches sur les matériaux, parce qu’il s’agit d’une technique tellement versatile qui permet d’accomplir des progrès dans de nombreux domaines : en effet, nous sommes entourés de matériaux, partout. À l’heure actuelle, des expériences diverses sont menées tous les jours dans le réacteur NRU sur différents types de matériaux. Seuls quelques Canadiens ont reçu un prix Nobel au XXe siècle, mais l’un d’eux a été obtenu grâce au réacteur NRU. Pourquoi? Pour deux raisons : la première, c’est parce que le réacteur NRU était disponible, offrant sa grande puissance et ses nombreuses capacités, et la deuxième, c’est parce que Bert était un homme intelligent, à l’imagination débordante.

Diapositive nº 7 Équipe du réacteur NRU

Ce sont ces récits de découvertes et d’innovation, compilés au cours de l’histoire, mais aussi ceux qui se produisent autour de moi chaque jour, qui me rendent fier d’appartenir à l’équipe du réacteur NRU. Voici certains des membres de l’équipe (nous travaillons par quarts de travail, il est donc impossible d’avoir tout le monde sur une même photographie). Puisque le réacteur fonctionne en permanence, cela signifie que la science et l’innovation ne cessent jamais d’évoluer grâce aux brillants esprits qui ont accès à cette installation scientifique remarquable.

Voici donc ce qui me donne espoir en la prochaine génération. Grâce à mon équipe qui travaille aujourd’hui avec le réacteur NRU, des scientifiques, des chercheurs et des étudiants qui n’étaient même pas nés lorsque celui a été construit viennent du monde entier frapper à notre porte chaque semaine, remplis d’idées pour mener de nouvelles expériences visant notamment à :

  • Offrir au Canada des milliers d’années d’électricité sans produire de gaz à effet de serre
  • Créer la nouvelle génération de produits médicaux permettant de sauver des vies à des millions de patients dans le monde entier
  • Réaliser une découverte en comprenant un nouveau matériau qui permettra de...?

Qui permettra de faire quoi au juste? De créer un nouvel implant cardiaque, ou un super-ordinateur, ou un train supersonique : je n’en sais rien. (Les deux premiers exemples sont réels, cependant; ces expériences ont été menées dans le réacteur NRU cette année.)

Diapositive nº 8 : répétition de la diapositive nº 1

Le réacteur NRU constitue un exemple de ce qui se produit lorsque nous investissons dans une installation scientifique nationale, puis la rendons accessible à tous. En tant que pays, nous avons réalisé un investissement qui, bien qu’important, n’était pas si démesuré par rapport aux autres dépenses gouvernementales : il s’agit du même montant qu’un hôpital d’une grande ville, ou de quatre avions de chasse F-22. Cet investissement a été remboursé tant de fois, grâce à la richesse de l’imagination humaine. Nous avons fourni des traitements à plus d’un demi-milliard de patients. Des milliards de tonnes de gaz à effet de serre ont été évitées grâce au réacteur NRU, et ce, parce que des milliers d’étudiants, de professeurs, de scientifiques et d’ingénieurs ont eu accès à une puissante installation de recherche.

Le réacteur NRU arrive au terme de sa durée de vie utile au printemps 2018, après 60 années de remarquables réalisations.

Je suis persuadé que les nouveaux scientifiques qui démarrent leur carrière aujourd’hui vont continuer de nous étonner et de découvrir des technologies qui auront des répercussions au niveau international, et je suis certain qu’en tant que pays, nous allons continuer à leur fournir des outils scientifiques utiles et puissants comme le réacteur NRU.

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