France

La fission nucléaire est un processus par lequel le noyau se divise en deux noyaux (ou parfois trois) plus légers. D'autres particules (par exemple les neutrons) et le rayonnement électromagnétique (rayons gamma) sont généralement ainsi libérés. La fission peut se produire spontanément, mais elle est le plus souvent induite.

La réaction de fission la plus courante survenant dans les réacteurs nucléaires est:

n + 235U → X + Y + (0-8)n + γ + excès d’énergie

Ici X et Y désignent les noyaux dans lesquels l'uranium s’est divisé. Ceux-ci sont appelés fragments de fission (exemple : 99Zr, 99Mo, 137Te, 140Xe, etc.) et possèdent des masses dont la somme atteint presque la masse du noyau d'uranium d'origine (noter que de 0 à 8 neutrons sont libérés).

Animation de la réaction de fission: le nombre de neutrons et de rayons gamma dans chaque réaction peut être différent

L'isotope 235U est le seul noyau fissile existant dans la nature. Fissile signifie capable de subir une fission lorsqu’il capture un neutron lent (ou thermique). Cependant, dans l'uranium naturel, l'isotope 235U se trouve dans de très faibles concentrations, de l'ordre de 0,72% - le reste étant surtout 238U. Néanmoins d'autres noyaux fissiles ont été produits artificiellement.

Dans la fission nucléaire de l'uranium, en moyenne, 2,5 neutrons sont produits, de sorte que la réaction conduit à un nombre de multiplication de neutrons dans le système. La plupart des fragments de fission sont radioactifs, et en moyenne, il y a environ cinq photons (rayons gamma) émis en une seule réaction.

Cette animation illustre la réaction de fission n + 235U → 90Kr + 143Ba + 3n + 4γ

Lorsqu'un neutron est absorbé par le noyau 235U, un noyau 236U se forme avec une énergie élevée telle que les nucléons commencent à osciller vigoureusement à l'intérieur du noyau qui lui-même s'allonge.

Cette image illustre le déroulement d'une réaction de fission.
En un temps d’environ 10-12 cet allongement conduit à la formation d’un col entre les deux parties du noyau. Le noyau se scinde alors telle une goutte d'eau d'un robinet qui se divise en deux gouttelettes. Les forces nucléaires entre nucléons agissent toujours sur les deux extrémités opposées du noyau de forme allongée, mais pas de manière aussi forte. En même temps, les deux parties se repoussent les unes les autres par des forces électrostatiques entre les protons, et le noyau se divise en deux fragments.

L'image montre un exemple de fission nucléaire. L'astérisque indique que le noyau d'uranium est dans un état excité, c'est à dire qu’il possède un excès d'énergie ne permettant pas la stabilité du noyau.

L'énergie libérée lors d'une fission d’235U est d'environ 200 MeV. Il s’agit de l'énergie cinétique des fragments de fission (environ 167MeV), des neutrons (environ 5MeV), et environ 17MeV sont libérés dans les désintégrations bêta (en moyenne, 3 désintégrations par fragment). Le reste de 7MeV est exprimé en rayons gamma.

Rappelez-vous que la combustion d'un atome de carbone unique dégage seulement 4 eV d'énergie - environ 50 millions de fois moins! L'énergie par molécule libérée par l'explosion de la TNT est également très faible par comparaison: environ 18 millions de fois plus faible.

Nous avons vu que lors d’une réaction typique de la fission d’235U, près de 2 neutrons sont produits.

This animation illustrates a chain reeaction.
Dans le cas où ces deux neutrons sont ensuite absorbés par deux autres noyaux d’235U, conduisant à la fission de 2 neutrons comme auparavant, cela nous donne 4 neutrons. Ces quatre neutrons peuvent induire quatre nouveaux processus de fission, à la suite duquel huit neutrons apparaissent. Le nombre de neutrons produits dans le système augmente géométriquement dans ce qu'on appelle uneréaction en chaîne.

Ce n'est pas seulement le nombre de neutrons qui augmente rapidement - l'énergie libérée aussi augmente à un rythme effréné. Si chaque noyau d’1 g de 235U subit la fission, l'énergie libérée sera de 6.023 × 1023/235 × 200 MeV = 5.125 × 1023 MeV = 8.2 ×1010 J. Cela correspond à l'énergie d’une masse de 1000 tonnes tombant sur Terre d'une hauteur de 8,2 kilomètres !

Le nombre de fissions individuelles dans une chaîne de réaction est proportionnel au nombre de noyaux fissiles dans le matériau. Les neutrons produits par la fission peuvent initier une autre fission s’ils sont absorbés par un noyau fissile. Mais la fission de neutrons peut être absorbée par un autre type de noyau, ou même s'échapper du matériau. Par conséquent, la probabilité que la fission se produise est inférieure à 1. Toutefois, il existe des moyens pour augmenter cette probabilité.

Les neutrons libérés dans la fission possèdent environ 1-2 MeV d'énergie. Ces neutrons rapides ont une très faible probabilité de causer une fission d’235U et donc ils vont passer par beaucoup de noyaux avant d'être absorbés par un noyau d’235U, induisant une fission. One solution is to slow them down, i.e. make sure that they have relatively small energies (a fraction of 1eV). Une solution consiste à les ralentir, c'est à dire s'assurer qu'ils possèdent de petites énergies (une fraction de 1 eV). On peut alors imaginer une plus forte probabilité du fait du ralentissement des neutrons, qu’ils passent plus de temps en contact avec le noyau d'uranium. Ces neutrons sont appelés thermiques, parce que leurs énergies cinétiques sont proches de celle des molécules de l'air qui nous entoure. Par exemple, pour ralentir les neutrons dans un réacteur de fission, on remplit les vides au sein le matériau fissile avec un matériau dit modérateur, soit par de l'eau ou du graphite.

Un autre procédé pour augmenter la probabilité de capture des neutrons consiste à entourer la matière fissile avec un réflecteur de neutrons, ce qui disperse les neutrons diffusés vers l’arrière pour augmenter le nombre de collisions. En particulier, le béryllium, le graphite et l'acier sont des matériaux réflecteurs communs.

En outre, certains neutrons vont rencontrer des noyaux qui absorbent les neutrons. Dans le cas des neutrons thermiques, les matériaux absorbants dotés d’une telle efficacité comprennent les noyaux de bore, le cadmium et le gadolinium. Les neutrons rapides sont fortement absorbés par l'isotope le plus commun dans l'uranium naturel, l’238U, produisant les noyaux fissiles 239Pu et 240Pu. Par conséquent, il faut connaître la composition chimique et isotopique d'un matériau dans lequel nous nous attendons à observer une réaction en chaîne. Nous en saurons plus sur ce sujet dans la prochaine rubrique dédiée aux réacteurs nucléaires. >