Fission nucléaire

La fission nucléaire, ou fission, est le phénomène de division d'un noyau atomique lourd (comme celui de l'uranium, du plutonium) en deux (ou plusieurs) noyaux légers, avec libération d'une quantité d'énergie considérable.

Sommaire

1 Matière fissile

2 Matière fertile

3 La fission spontanée ou induite

3.1 L'énergie de fission

4 Historique

5 Notes

6 Voir aussi

Matière fissile

Les noyaux pouvant fissionner spontanément ou à l'occasion de réactions nucléaires nécessitant la mise en œuvre d'énergies modérées sont dits fissiles ou fissibles. Le numéro atomique des isotopes dont les noyaux sont fissiles ont un numéro atomique supérieur ou égal à 89 (les actinides).

Les noyaux spontanément fissiles sont, notamment l'uranium 235 et le californium 252.

Dans les réacteurs nucléaires, la fission est provoquée par l'absorption d'un neutron : les noyaux fissiles utilisables sont l'uranium 235, le plutonium 239 et l'uranium 233.

L'uranium 235 est l'isotope le plus utilisé dans les réacteurs nucléaires ; dans les réacteurs à eau pressurisée (technologie la plus répandue), l'uranium naturel, composé essentiellement d'uranium 238, et seulement 0,718 % d'uranium 235, est enrichi jusqu'à 3 à 5 % d'uranium 235.

Les réacteurs nucléaires dont le combustible contient de l'uranium 238 produisent du plutonium 239, dont une partie disparaît par les fissions de ²³⁹Pu.

Le plutonium 239 est utilisable pour fabriquer des bombes nucléaires, car il possède une section efficace élevée pour des neutrons de forte énergie (donc, rapides), pour la réaction de fission. La condition nécessaire à une explosion nucléaire est en effet de maintenir la matière confinée assez longtemps pour que la matière fissile soit presque totalement « consommée ».

Matière fertile

Les noyaux susceptibles d'absorber un neutron, puis de se transmuter en noyaux fissiles par une chaîne de désintégration naturelle, sont appelés noyaux fertiles.

Les noyaux fertiles sont l'uranium 238 et le thorium 232, qui se transforment respectivement en plutonium 239 et en uranium 233.

La fission spontanée ou induite

De la même façon que la radioactivité, la fission nucléaire spontanée provient d'une instabilité de quelques isotopes, qui se désintègrent alors en éclatant en plusieurs fragments, généralement dissemblables.

La fission peut également être la conséquence de la collision d'un projectile quelconque avec un noyau atomique de matière fissile : c'est la fission induite.

Ce sont de telles fissions induites qui se produisent dans un réacteur nucléaire, ou lors de l'explosion d'une bombe atomique.

L'utilisation de certains noyaux fissiles, comme l'uranium 235, nécessite de ralentir les neutrons très énergétiques produits lors des fissions.

Le ralentissement des neutrons nécessite un matériau permettant un freinage efficace par collisions avec les noyaux constituant ce matériau, ce dernier devant absorber le moins possible de neutrons. Un tel matériau est appelé modérateur ; les meilleures modérateurs sont principalement constitués de noyaux légers, tels que : le deutérium, l'hydrogène, le béryllium, le carbone ; dans les réacteurs à eau pressurisée, le modérateur est l'eau ordinaire.

Ce freinage est indispensable du fait que la probabilité de fission de l'uranium 235 est nettement plus élevée avec des neutrons lents, qu'avec des neutrons rapides.

L'énergie de fission

Un neutron qui entre en collision avec un noyau fissile peut former avec celui-ci un noyau composé excité, ou être simplement absorbé (capture). Pour l'uranium 235, la proportion de neutrons capturés est d'environ 16 % pour des neutrons thermiques ; 9,1 % pour des neutrons rapides.

Dans le cas de la fission induite, la durée de vie moyenne du noyau composé est de l'ordre de 10^-14 s. Le noyau se fissionne, et les fragments (en général 2 fragments inégaux) se séparent à vitesse élevée ; au bout de 10⁻¹⁷ s, ces fragments, distants de 10^-10 m, émettent des neutrons de fission. Le nombre de neutrons émis en moyenne par fission varie en fonction de l'énergie des neutrons (qui induisent les fissions) : pour les neutrons thermiques, ce nombre vaut ν = 2,41 ; 2,47¹ ; 2,87 respectivement pour ²³³U, ²³⁵U, ²³⁹Pu.

Des photons γ de désexcitation sont émis après 10^-14 s, alors que les fragments ont franchi 10^-7 m. Les fragments s'arrêtent au bout de 10^-12 s environ, après avoir franchi une distance de 50 µm (ces valeurs sont données pour un matériau de densité 1, tel que l'eau ordinaire).

L'énergie cinétique des fragments et des particules émises à la suite d'une fission finit par se transformer ainsi en énergie thermique par l'effet des collisions et des interactions avec les atomes de la matière traversée.

Le tableau suivant indique comment se répartit l'énergie libérée à la suite d'une fission induite d'un atome d'uranium 235 (ces données sont des moyennes calculées sur un grand nombre de fissions).

Énergie de fission de ${}^{235}_{\ 92} U$	énergie MeV	% énergie totale	Commentaire
Énergie cinétique des fragments de fission	166	81,5	énergie instantanée localisée
Énergie cinétique des neutrons de fission	5	2,5	énergie instantanée délocalisée
Énergie des rayons γ de fission	8	3,9
Énergie des neutrinos	11	5,5
Total	190	93,1	énergie instantanée
Énergie de radioactivité β des produits de fission	7	3,4	énergie différée
Énergie de radioactivité γ des produits de fission	7	3,4
Total	14	6,9

Historique

En 1896, Henri Becquerel découvre la radioactivité naturelle de l'uranium.
Le 10 décembre 1903, Pierre et Marie Curie, associés à Henri Becquerel, obtiennent le prix Nobel de physique pour la découverte (Becquerel) et l'étude (Curie) de la radioactivité naturelle de l'uranium.
En 1932, les physiciens britanniques Ernest Rutherford et Sir John Cockcroft réussissent la première fission de l'atome.
En 1934, Frédéric et Irène Joliot-Curie découvrent la radioactivité artificielle.
En 1938, Otto Hahn, Lise Meitner et Fritz Strassmann prouvent que les noyaux d'uranium 235 bombardés par des neutrons éclatent. La fission nucléaire induite a été découverte.
En 1939, une équipe du Collège de France démontre que la fission de l'uranium peut entraîner une réaction en chaîne.
En 1945, explosion des deux premières bombes nucléaires à Hiroshima et Nagasaki.
En 1951, la première centrale nucléaire à fission, la National Reactor Station, entre en fonction dans l'Idaho aux États-Unis.

Notes

1. Ainsi, chaque neutron thermique induisant une fission ou capturé par un noyau d'²³⁵U conduira à l'émission de 2,08 neutrons en moyenne.

Voir aussi

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