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Réactions de fission et de fusion

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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 .
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.

 


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.
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.
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.
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.

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