Fiche de cours
Réactions de fission et de fusion
- Fiche de cours
- Quiz et exercices
- Vidéos et podcasts
Objectif(s)
Expliquer les mécanismes de fission et de fusion
nucléaire. Énoncer les caractéristiques
de ces deux types de réactions. Donner leurs
applications.
1. La fission nucléaire
En 1932 James Chadwick a découvert le
neutron. Les physiciens nucléaires se sont
ensuite rendus compte que les noyaux pouvaient
absorber des neutrons. Un objectif était de
créer de nouveaux noyaux par bombardement avec ces
particules. Cependant, avec de l’Uranium 235, les
résultats ne « collaient » pas, car des
noyaux plus petits que l’Uranium étaient
produits : l’Uranium 235 avait
fissionné. Ce phénomène fut
découvert en 1938 par Otto Hahn, Lise Meitner et
Fritz Strassmann.
a. Description du phénomène de fission
d'un noyau
Dans le noyau de l’atome, trois interactions
s’exercent :
électromagnétique, forte et
faible. Cette dernière est responsable de la
désintégration nucléaire ; elle
n’intervient pas ici. L’interaction
électromagnétique fait que les protons,
chargés positivement, se repoussent et ont
tendance à faire éclater le noyau. Par
contre, l’interaction forte fait que les
nucléons s’attirent entre eux. Pour
les noyaux légers, un équilibre peut
s’instaurer, ce qui peut rendre les noyaux
stables.
Lorsque un noyau est lourd (grand nombre de nucléons), il est forcément instable. En effet, l’attraction entre nucléons par interaction forte ne s’exerce qu’entre les nucléons assez proches les uns des autres. L’édifice nucléaire est fragile. A la moindre perturbation, ou même spontanément, il peut se scinder en plusieurs morceaux : c’est la fission nucléaire.
Un noyau pouvant subir la fission est dit fissile, comme l’Uranium 235. S’il est percuté par un neutron, il pourra former l’Uranium 236, qui va alors rapidement se rompre, en émettant deux noyaux, des neutrons, et du rayonnement gamma.
Il existe diverses possibilités de fissions avec l’Uranium 235. Une des plus courantes est :
Les noyaux formés, ainsi que les neutrons émis (2 ou 3 en moyenne), emportent de l’énergie cinétique. En prenant aussi en compte l’énergie du rayonnement gamma, on voit que la fission est productrice d’énergie pour les noyaux lourds, de l’ordre de 200 MeV pour la fission de l’Uranium 235. On rappelle que
et que le MeV
(méga électronvolt) vaut un million
d’eV. D’un point de vue macroscopique, cette
énergie se manifeste sous la forme d’un
dégagement de chaleur.
Les noyaux produits, appelés noyaux fils, sont moins instables que le noyau d’Uranium initial (noyau père), mais ne sont pas stables pour autant. Ils sont la plupart du temps fortement radioactifs, car émetteurs
et 
.
Lorsque un noyau est lourd (grand nombre de nucléons), il est forcément instable. En effet, l’attraction entre nucléons par interaction forte ne s’exerce qu’entre les nucléons assez proches les uns des autres. L’édifice nucléaire est fragile. A la moindre perturbation, ou même spontanément, il peut se scinder en plusieurs morceaux : c’est la fission nucléaire.
Un noyau pouvant subir la fission est dit fissile, comme l’Uranium 235. S’il est percuté par un neutron, il pourra former l’Uranium 236, qui va alors rapidement se rompre, en émettant deux noyaux, des neutrons, et du rayonnement gamma.
Il existe diverses possibilités de fissions avec l’Uranium 235. Une des plus courantes est :
Les noyaux formés, ainsi que les neutrons émis (2 ou 3 en moyenne), emportent de l’énergie cinétique. En prenant aussi en compte l’énergie du rayonnement gamma, on voit que la fission est productrice d’énergie pour les noyaux lourds, de l’ordre de 200 MeV pour la fission de l’Uranium 235. On rappelle que
et que le MeV
(méga électronvolt) vaut un million
d’eV. D’un point de vue macroscopique, cette
énergie se manifeste sous la forme d’un
dégagement de chaleur.Les noyaux produits, appelés noyaux fils, sont moins instables que le noyau d’Uranium initial (noyau père), mais ne sont pas stables pour autant. Ils sont la plupart du temps fortement radioactifs, car émetteurs
et .
b. Réaction en chaîne
Si les neutrons émis par fission viennent frapper
de nouveaux noyaux d’Uranium 235, ils pourront les
faire fissionner à leur tour. C’est le
principe d’une réaction en
chaîne, observée par
Frédéric Joliot-Curie en 1939.
Ce scénario suppose que les neutrons percutent les noyaux avec une énergie cinétique adéquate, de l’ordre de 0,02 MeV. On les appelle neutrons thermiques ou neutrons lents. Mais, si un neutron est trop lent, il rebondira sur le noyau. A l’opposé, s’il est trop rapide, il passera à travers le noyau sans interagir avec lui.
Ce scénario suppose que les neutrons percutent les noyaux avec une énergie cinétique adéquate, de l’ordre de 0,02 MeV. On les appelle neutrons thermiques ou neutrons lents. Mais, si un neutron est trop lent, il rebondira sur le noyau. A l’opposé, s’il est trop rapide, il passera à travers le noyau sans interagir avec lui.
c. Applications de la fission
La fission présente deux applications principales
:
• Les armes nucléaires : les « bombes A ».
La réaction en chaîne n’est pas contrôlée : une fission en induira deux ou trois autres, qui elles mêmes en induiront d’autres, etc. Le nombre de fissions croît de manière exponentielle (très rapidement), ce qui génère une explosion nucléaire. Les bombes lâchées sur Hiroshima et Nagasaki étaient basées sur ce mode de fonctionnement.
• Les centrales nucléaires :
En maîtrisant la réaction en chaîne, les centrales nucléaires génèrent de la chaleur dans les réacteurs, qui sert à faire tourner des turbines, et à produire de l’électricité. Dans les centrales à eau pressurée, comme en France, de l’eau sert à la fois à transporter la chaleur produite (fluide caloporteur) et à ralentir les neutrons rapides formés après chaque fission, afin de les rendre apte à effectuer d’autres fissions. Pour cet usage là, l’eau est qualifiée de modérateur.
• Les armes nucléaires : les « bombes A ».
La réaction en chaîne n’est pas contrôlée : une fission en induira deux ou trois autres, qui elles mêmes en induiront d’autres, etc. Le nombre de fissions croît de manière exponentielle (très rapidement), ce qui génère une explosion nucléaire. Les bombes lâchées sur Hiroshima et Nagasaki étaient basées sur ce mode de fonctionnement.
• Les centrales nucléaires :
En maîtrisant la réaction en chaîne, les centrales nucléaires génèrent de la chaleur dans les réacteurs, qui sert à faire tourner des turbines, et à produire de l’électricité. Dans les centrales à eau pressurée, comme en France, de l’eau sert à la fois à transporter la chaleur produite (fluide caloporteur) et à ralentir les neutrons rapides formés après chaque fission, afin de les rendre apte à effectuer d’autres fissions. Pour cet usage là, l’eau est qualifiée de modérateur.
2. La fusion nucléaire
a. Description de la fusion
La fusion nucléaire est « le contraire
» de la fission. La fusion consiste à ne
former qu’un noyau à partir de deux
autres. Pour que cette réaction produise de
l’énergie, elle doit concerner les
noyaux légers. Pour réaliser la fusion,
il faut vaincre la répulsion électrique
entre les protons de chaque noyau à fusionner.
Pour cela, il faut se placer dans des conditions de
hautes températures et/ou hautes
pressions.
Voici quelques exemples de fusion avec des isotopes de l’hydrogène :
3,3 MeV
4,0 MeV
17,6 MeV
18,3 MeV
L’isotope
est nommé
deutérium et l’isotope 
est le tritium
(radioactif). A droite de chacune de ces réactions
est indiquée l’énergie
libérée.
La fusion nucléaire est la source d’énergie des étoiles, y compris bien sûr le Soleil. En son cœur, celui-ci fusionne l’hydrogène pour produire de l’hélium, à une température de l’ordre de 15 millions de kelvin, et une masse volumique de
. Pour les étoiles plus
chaudes et/ou à certains stades de leur
évolution, il est également possible de
fusionner des éléments plus lourds, comme
l’hélium, le carbone,
l’oxygène.
Voici quelques exemples de fusion avec des isotopes de l’hydrogène :
3,3 MeV
4,0 MeV
17,6 MeV
18,3 MeV
L’isotope
est nommé
deutérium et l’isotope est le tritium
(radioactif). A droite de chacune de ces réactions
est indiquée l’énergie
libérée.La fusion nucléaire est la source d’énergie des étoiles, y compris bien sûr le Soleil. En son cœur, celui-ci fusionne l’hydrogène pour produire de l’hélium, à une température de l’ordre de 15 millions de kelvin, et une masse volumique de
. Pour les étoiles plus
chaudes et/ou à certains stades de leur
évolution, il est également possible de
fusionner des éléments plus lourds, comme
l’hélium, le carbone,
l’oxygène.
b. Applications et perceptives
• Les bombes H
:
Pendant la guerre froide fut développée la « bombe H » à fusion. Par l’explosion d’une « sous-bombe » à fission, les conditions de températures requises pour la fusion sont atteintes, et une bombe à fusion explose alors. Les bombes H sont actuellement les armes les plus puissantes que l’humanité ait construite. Elles constituent un exemple de fusion non contrôlée.
• Fusion contrôlée :
Comme pour la fission, l’objectif principal est de maîtriser la fusion afin de produire de l’électricité. Si des projets actuels ou futurs (LASER Mégajoule) permettent de produire la fusion par des LASER puissants, une autre piste étudiée concerne les tokamaks. Ces structures en forme de tore maintiennent de la matière ionisée (plasma) en lévitation par champs magnétiques. Elle est alors portée à des hautes températures permettant la fusion, de l’ordre de 100 à 200 millions de Kelvin.
Pendant la guerre froide fut développée la « bombe H » à fusion. Par l’explosion d’une « sous-bombe » à fission, les conditions de températures requises pour la fusion sont atteintes, et une bombe à fusion explose alors. Les bombes H sont actuellement les armes les plus puissantes que l’humanité ait construite. Elles constituent un exemple de fusion non contrôlée.
• Fusion contrôlée :
Comme pour la fission, l’objectif principal est de maîtriser la fusion afin de produire de l’électricité. Si des projets actuels ou futurs (LASER Mégajoule) permettent de produire la fusion par des LASER puissants, une autre piste étudiée concerne les tokamaks. Ces structures en forme de tore maintiennent de la matière ionisée (plasma) en lévitation par champs magnétiques. Elle est alors portée à des hautes températures permettant la fusion, de l’ordre de 100 à 200 millions de Kelvin.
L'essentiel
La fission nucléaire résulte de
l’instabilité de noyaux lourds. Elle peut
être provoquée par l’impact
d’un neutron avec un noyau. Il en résulte la
cassure du noyau (noyau père) en deux noyaux
plus petits (noyaux fils), l’émission de
rayonnement gamma et de quelques neutrons. Ces derniers sont
susceptibles d’induire d’autres fissions, ce qui
constitue une réaction en chaîne. Un
noyau pouvant subir la fission est dit fissile.
L’uranium 235 en est un exemple. La fission des
noyaux lourds libère de l’énergie,
qui peut être exploitée dans les bombes A ou les
centrales nucléaires.
La fusion est une réaction nucléaire pendant laquelle deux noyaux légers s’assemblent pour former un noyau plus lourd. Les protons des noyaux se repoussant mutuellement, la fusion ne peut pas être un phénomène spontané mais doit être provoquée en se plaçant à hautes températures. La fusion des noyaux légers libère de l’énergie. Elle constitue l’énergie produite par les étoiles. La fusion non contrôlée est exploitée par les bombes H. Un objectif actuel est de contrôler la fusion dans des tokamaks pour générer de la chaleur afin de produire de l’électricité.
La fusion est une réaction nucléaire pendant laquelle deux noyaux légers s’assemblent pour former un noyau plus lourd. Les protons des noyaux se repoussant mutuellement, la fusion ne peut pas être un phénomène spontané mais doit être provoquée en se plaçant à hautes températures. La fusion des noyaux légers libère de l’énergie. Elle constitue l’énergie produite par les étoiles. La fusion non contrôlée est exploitée par les bombes H. Un objectif actuel est de contrôler la fusion dans des tokamaks pour générer de la chaleur afin de produire de l’électricité.
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