Principes Physiques Fondamentaux Qui Expliquent la Fission

 

LA COHÉSION DES PROTONS ET DES NEUTRONS AU SEIN DU NOYAU ATOMIQUE

Les constituants de la matière sont des atomes comprenant un noyau et des électrons qui tournent autour. Pénétrons maintenant au cœur de l’atome, dans le noyau. Celui-ci est un assemblage de protons et de neutrons concentrés dans un très petit volume et soumis à deux forces différentes : la force nucléaire forte et la force électrique.

Le noyau atomique est très petit (environ 10-15 m) comparé à l’atome (10-10 m).

La force électrique n’agit que sur des particules chargées, attirant celles qui sont de signe opposé et repoussant celles de même signe. Cette force agissant à “longue” distance permet aux électrons, porteurs d’une charge négative, d’être retenus autour du noyau chargé positivement.

Les neutrons, en raison de leur absence de charge, ne sont pas soumis à la force électrique. Par contre, les protons, tous de même signe, ont tendance à se repousser. Pourtant, dans le noyau, les protons et les neutrons restent bien associés. Cette constatation permet de dire que la force nucléaire, qui n’agit qu’à très “courte” distance sur les protons et les neutrons, est plus intense pour ces courtes distances que la force électrique.

Cependant, la force nucléaire ne peut pas compenser à l’infini la force électrique pour la cohésion des protons et des neutrons dans les noyaux. Lorsqu’il y a beaucoup de protons, les noyaux des atomes sont moins liés et deviennent instables.

      

 

L'ÉQUIVALENCE ENTRE L'ÉNERGIE ET LA MASSE

Par des techniques très précises, il est possible de mesurer la masse d’un noyau, celle d’un proton isolé ou d’un neutron isolé. La masse du noyau est inférieure à la somme des masses de chacun de ses nucléons. Qu’est devenue la masse manquante ? En fait, cette masse ne disparaît pas mais se transforme en énergie. La célèbre formule d’Einstein, E = mc2, nous permet de calculer celle-ci. En effet, cette formule associe à un corps de masse m, une énergie E qui est égale à sa masse multipliée par une constante c2. Cette dernière est le carré de la vitesse de la lumière dans le vide (c = 300 000 km/s).

Dans le cas de notre disparition de masse, l’énergie qui apparaît est donc égale à la perte de masse multipliée par la constante c2.

Cette quantité d’énergie sert de ciment pour tenir ensemble les constituants du noyau : on l’appelle pour cette raison l’énergie de liaison. Elle correspond à l’énergie qu’il faut fournir au noyau pour qu’il soit dissocié en nucléons isolés.

L’énergie de liaison par nucléon (équivalente à une perte de masse par nucléon) n’est pas identique pour tous les noyaux. Faible pour les noyaux légers, elle augmente jusqu’aux noyaux de masse moyenne, se trouvant aux alentours du fer 56, et décroît ensuite (voir courbe d’Aston). Cette évolution de l’énergie de liaison indique que les atomes les plus liés sont les atomes de masse moyenne. Leur perte de masse est plus grande par nucléon. Donc, toutes les transformations de noyaux tendant à produire des noyaux de masse moyenne vont permettre de libérer de l’énergie nucléaire. Ces transformations sont appelées réactions nucléaires. Les noyaux les plus légers fusionnent tandis que les lourds fissionnent.

El <=> Énergie de liaison

A <=> Nombre de nucléons

Courbe d’Aston

 

LES RÉACTIONS NUCLÉAIRES LIBÉRATRICES D'ÉNERGIE

Elles sont de deux types :

• La fusion de noyaux très légers en un noyau de taille moyenne.

Depuis une trentaine d’années, de nombreux laboratoires étudient la fusion de deux noyaux légers comme ceux du deutérium et du tritium qui sont deux isotopes lourds de l’hydrogène.

Ce domaine est encore au stade de la recherche et il n’existe pas encore d’applications industrielles de la fusion pour la production d’électricité.

• La fission ou cassure d’un noyau très lourd en deux noyaux de taille moyenne.

La réaction de fission est plus simple à réaliser sur Terre que celle de fusion. Elle consiste à casser des noyaux lourds, comme ceux de l’uranium 235 ou du plutonium 239, sous l’effet de l’impact d’un neutron. L’énergie de fission libérée est utilisée dans les réacteurs nucléaires. Ceux-ci produisent actuellement le sixième de l’électricité consommée dans le monde, le tiers en Europe et les trois quarts en France.

LES ATOMES FISSILES

Le noyau de certains gros atomes a la propriété de se casser en deux sous l’effet d’une collision avec un projectile bien choisi. En l’occurrence, le neutron est un projectile particulièrement bien adapté.

En effet, sans charge électrique, cette particule a la faculté d’approcher suffisamment près le noyau, chargé positivement, sans être repoussée par des forces électriques. Le neutron peut alors pénétrer à l’intérieur de ce noyau et le briser en deux morceaux. Il ne s’agit pas d’une explosion du noyau sous l’effet du choc mécanique avec le neutron, mais d’une cassure interne déclenchée par l’arrivée de ce neutron supplémentaire. C’est le résultat du bouleversement induit lors de l’intégration du neutron arrivant dans le noyau, sous l’action de la force nucléaire (voir dossier pédagogique L’énergie nucléaire : fusion et fission). La fragmentation du noyau est appelée réaction de fission. Un atome ayant la faculté de se briser en deux lors d’une collision est dit fissile. Les plus connus d’entre eux sont l’uranium 235 et le plutonium 239. Les deux morceaux obtenus après la fission d’un gros noyau sont les produits de fission. Ils sont la plupart du temps radioactifs.

L'ÉNERGIE LIBÉRÉE PAR LA FISSION

La réaction de fission d’un noyau s’accompagne d’un grand dégagement d’énergie.

Les deux produits de fission emportent une grande partie de cette énergie sous forme cinétique : ils sont éjectés avec une grande vitesse (8 000 km/s). Ils se frayent un chemin parmi les autres atomes en les “bousculant” car ils constituent de gros projectiles. Au cours de ces chocs, ils perdent rapidement leur vitesse (et donc leur énergie) en échauffant la matière environnante et s’arrêtent dans la masse d’uranium. Leur énergie de départ se trouve finalement transformée en chaleur : localement, la température de l’uranium augmente.Le principe d’un réacteur nucléaire consiste à récupérer cette chaleur pour la transformer en électricité.

LES NEUTRONS ET LA RÉACTION EN CHAÎNE

Chaque fission produit aussi en moyenne deux à trois neutrons d’énergie élevée qui se déplacent à très grande vitesse (20 000 km/s) parmi les atomes d’uranium. L’énergie emportée par les neutrons représente une faible partie

de l’énergie totale libérée lors de la fission, l’essentiel de cette énergie étant emporté par les produits de fission. Mais les neutrons étant de masse faible par rapport aux produits de fission, leur vitesse est très grande.

Projectiles de petite dimension, neutres électriquement, les neutrons vont pouvoir se propager relativement loin avant d’interagir avec un autre noyau d’atome. S’il s’agit d’un atome d’uranium 235, ils donneront éventuellement lieu à une nouvelle fission.

Les deux ou trois neutrons libérés lors d’une fission vont pouvoir provoquer à leur tour de nouvelles fissions et la libération de nouveaux neutrons et ainsi de suite… c’est la réaction en chaîne.

Dans un réacteur nucléaire, la réaction en chaîne est maîtrisée pour maintenir un rythme de fissions constant. C’est-à-dire que sur les deux ou trois neutrons libérés lors d’une fission, seul l’un d’entre eux en provoque une nouvelle, les autres étant capturés. Un équilibre doit être atteint : une fission donne une fission, qui donne une fission, qui donne une fission, etc. (et non pas une fission donne deux fissions qui donnent quatre fissions, qui donnent huit fissions, etc.). La quantité de chaleur libérée à chaque seconde dans la masse d’uranium est ainsi parfaitement contrôlée.

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