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Le laser sera l’outil de l’ouvrier « isotopique » du futur

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Vous ne l’avez pas remarqué mais la NRC, l’organisme de contrôle américain du nucléaire (Nuclear Regulatory Commission) vient d’autoriser la construction d’une usine d’enrichissement d’uranium par laser.

Or, il s’agit d’une première révolutionnaire du point de vue industriel. Elle est issue d’une invention des années 1960, puis d’une découverte d’un procédé par des Australiens, et elle vient de franchir le pas des laboratoires pour passer à la dimension de la société.

Les bouleversements à prévoir dans l’industrie chimique

L’industrie chimique est une industrie lourde ; moins que l’industrie pétrolière certes, mais lourde quand même. Une des tâches qui se font dans ces grandes tours cylindriques que l’on voit enguirlandées en permanence est l’extraction ou la distillation d’un produit composé en ses éléments simples. Et ce travail de séparation est très délicat, complexe souvent, et énergivore.

Pour rendre le travail plus dingue, il existe des produits qui ont la même composition chimique mais qui n’ont pas la même architecture interne. On parle alors d’isomères ; et pour pouvoir les séparer il faut alors mettre en œuvre des séries prodigieuses de réactions chimiques. Cette complexité a abouti légitimement à la domination des grosses entreprises, qui seules pouvaient se payer à la fois la recherche et l’industrialisation des procédés découverts. L’industrie chimique est devenue très lourde au fil du temps, mais un retournement spectaculaire se pointe à l’horizon.

De l’économie du pétrole à l’économie isotopique

Les connaissances de l’homme ont aussi évolué vers l’infiniment petit : vers l’intérieur même de l’atome, et l’on parle alors de science atomique, en plus de la chimie qui se limite aux arrangements entre les atomes ; et plus récemment vers la zone intermédiaire où se situent les nanotechnologies. Ce dernier corps de science traite des petits paquets de quelques atomes ; on reste dans la chimie mais on sent déjà l’influence de modes d’actions propres au nucléaire.

A l’image des jumeaux chimiques que sont les molécules isomères, il y a les isotopes, qui sont les jumeaux au niveau nucléaire. A quoi ressemblera l’entreprise type qui déploiera les connaissances déterrées à ces dimensions ? Comme la chimie, le nucléaire suggère les très grandes usines ; mais l’apparence est trompeuse, car l’industrie nucléaire est perçue au travers de l’électronucléaire et l’armement, qui sont de très grande dimension. Mais songez plutôt à la médecine nucléaire ou aux traceurs isotopiques, dans la géologie ou l’agriculture. Ce domaine est l’apanage d’unités petites et très spécialisées. Je crois profondément que l’ère nucléaire ne fait que commencer ; et comme dans toute ère historique, les premières croissances se font par la taille, les plus puissantes se font ensuite par l’intimité de la science en jeu. C’est le cas ici. Et demain l’économie du nucléaire sera tirée par l’économie isotopique.

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Trouver le poussin noir avant l’éclosion des oeufs

Comment séparer des jumeaux atomiques

Comment sépare-t-on les jumeaux de taille atomique, les isotopes ? Les besoins du militaire et de l’électronucléaire ont abouti à la création de la filière industrielle de l’enrichissement de l’uranium. Etudions ce cas. L’uranium naturel, celui qui est extrait des mines, n’a pas une proportion suffisante d’uranium-235 pour intéresser l’industrie : Le jumeau U235 est trop peu représenté par rapport au U238. Il faut donc diminuer la proportion d’U238 et donc séparer partiellement les deux types d’atomes.

Les procédés de séparation actuels en phase gazeuse

La différence de masse infime entre les deux jumeaux est suffisante pour pouvoir séparer l’U235 de l’U238. Cela se fait avec un composé chimique gazeux, et il faut répéter des milliers de fois l’opération pour que le mélange soit enrichi en U235. Le mélange passe de la proportion naturelle de moins de 1% à 4% ! Ce travail est très lourd et il consomme énormément d’électricité, presque la production d’une centrale électrique à lui seul ! Le procédé historique est l’enrichissement par diffusion gazeuse, tandis que le plus récent, qui fait parler de lui à travers l’Iran, est la centrifugation gazeuse.

La convergence de la chimie, du nucléaire et de l’optique

La révolution qui pointe son nez est celle-ci : hormis la différence de masse entre les jumeaux, existe-t-il une autre caractéristique physique plus sensible qui les différencient ? La réponse est négative à l’état stable.

Cependant, les chercheurs ont trouvé un moyen d’exciter un seul des deux jumeaux. Ceci se passe à l’échelle de l’atome et plus précisément au niveau des électrons qui tournent en permanence autour du noyau : on sait exciter certains électrons jusqu’à ce qu’il sautent à l’étage supérieur, puisqu’il existe de tels étages. On sait qu’en les laissant tranquilles les électrons reviendrons à leurs étage initial.

Le secret dévoilé par une découverte des années 1960 est que dans une configuration précise, l’instabilité provisoire est différente selon le noyau U235 ou U238. Si l’on recrée les conditions exactes de cette instabilité d’une manière continue, alors on pourra sélectionner un jumeau et pas l’autre. Il faudra vite extraire celui qui est excité, mais cela est relativement plus facile. Au bout du compte, l’opération de séparation sera beaucoup moins énergivore. Mais que de science et de technique mobilisées en même temps !

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Brevet d’invention n° 1.391.738 déposé le 21 octobre 1963 par Jean Robieux et Jean-Michel Auclair.

Le 21 octobre 1963, le brevet d’invention n°1391738 a été déposé pour un « Procédé de séparation isotopique », « ayant pour objet un procédé et un dispositif permettant d’ioniser sélectivement un composé gazeux isotopique ». A l’origine du brevet, le chercheur de génie Jean Robieux, le « père de la fusion par laser », qui nous avait honoré de sa présence avec un bel exposé lors d’une assemblée générale de Solidarité & Progrès en 2010.

Une nouvelle révolution technique

Pourquoi tant remarquer un nouveau mode d’enrichissement de l’uranium ? Parce qu’il s’agit de la première application industrielle d’une caractéristique optique de l’atome. Car le saut des électrons d’un étage à l’autre se traduit à l’extérieur par une émission lumineuse, une fluorescence. Le choix d’un mode d’excitation plutôt qu’un autre se fait par des lasers. Le cortège des électrons et leur état est aussi ce qui conditionne les réactions chimiques entre les molécules.

Le domaine de la chimie optique est précisément celui dont les réactions sont provoquées par la lumière. Fondamentalement, la nature nous offre une centaine d’atomes de base, mais nous avons en réalité plus de mille atomes différents si l’on tient compte des isotopes ! Le tableau de Mendeleïev organise bien ces différences. A ce jour l’économie humaine ne pouvait intégrer cette générosité car nos moyens techniques n’étaient pas à la hauteur du défi.

L’annonce de cette première industrielle ouvre une nouvelle ère, et le monde nouveau qui s’ouvre à nous est vaste. Ce qui vient d’être accompli l’a été au niveau de l’atome, mais en fait les chimistes savent que cela vaut également pour le niveau plus complexe des molécules, et celui encore plus complexe des groupements spécialisés de molécules. On pourra donc provoquer, par des lasers, des réactions qui ne pouvaient se faire jusqu’à maintenant que par la mise en œuvre d’autres composés, qu’il fallait ensuite éliminer. Cela se fait couramment dans la pharmacie, mais c’est lourd et cher pour l’industrie chimique.

Prenons l’exemple du butane. C’est un gaz qui sort du sol avec le gaz naturel. Si le butane ne sert qu’à chauffer, son jumeau chimique ou isomère, l’isobutane, est très prisé dans l’industrie des plastiques. La chimie optique changera le butane standard en son isomère et on aura, en quelque sorte, transformé du plomb en or.

En biologie l’apport des isomères est certain, car la forme elle-même de ces molécules complexes rend le produit actif ou non. Aujourd’hui, il faut utiliser d’autre molécules très spécialisées pour tordre dans le bon sens la molécule visée. Les lasers pourront faire le boulot sans polluer le milieu de composés inutiles en bout de processus.

Enfin, le domaine des nanotechnologies est si petit que l’onde lumineuse est de toute évidence la main qu’il faut à ces dimensions de l’extrême petitesse. Les quantités de produit mises en œuvre pourront être faibles, et les lasers sont déjà très miniaturisés. Ainsi, la perspective s’ouvre à des entreprises d’un ou quelques chercheurs innovants, loin des conglomérats actuels.

Nucléaire, chimie, optique, nanoscience : quatre domaines d’intervention dans le très petit qui viennent de s’octroyer un outil de base. Avant on ne disposait que de la pierre taillée, maintenant on a une pince, un marteau et un tournevis. Ce n’est pas la boite à outils complète, mais la profession est crée.

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