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Fission nucléaire
La fission nucléaire
La fission nucléaire

La fission nucléaire est le phénomène par lequel le noyau d'un atome lourd (noyau qui contient beaucoup de nucléons, tels les noyaux d'uranium et de plutonium) est divisé en plusieurs nucléides plus légers. Cette réaction nucléaire se traduit aussi par l'émission de neutrons et un dégagement d'énergie très important (≈ 200 MeV, à comparer aux énergies des réactions chimiques qui sont de l'ordre de l'eV).

Découverte de la fission nucléaire

Le phénomène de fission nucléaire induite fut découvert en 1938, par trois physiciens du Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie de Berlin : Otto Hahn, Lise Meitner et Fritz Strassmann.

Les résultats du bombardement de noyaux d'uranium (L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un élément naturel assez fréquent : plus abondant que l'argent, autant que le...) par des neutrons avait déjà paru intéressants et tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) à fait intriguants. D’abord étudiés par Enrico Fermi et ses collègues en 1934, ils ne furent correctement interprétés que plusieurs années plus tard.

Le 16 janvier 1939, Niels Bohr (Niels Henrik David Bohr (7 octobre 1885 à Copenhague, Danemark - 18 novembre 1962 à Copenhague) est un physicien danois. Il est surtout connu pour son apport à l'édification de...) arriva (Arriva est un groupe privé britannique spécialisé dans le transport public de voyageurs. Il exploite des services de bus et de trains, principalement en Grande-Bretagne, mais aussi dans...) aux États-Unis pour passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) plusieurs mois à l’Université de Princeton, où il avait hâte de discuter de certains problèmes théoriques avec Albert Einstein (Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le 18 avril 1955 à Princeton, New Jersey) est un physicien qui fut successivement allemand, puis...). Juste avant son départ du Danemark, deux de ses collègues, Lise Meitner et Otto Frisch, lui avaient fait part de leur hypothèse selon laquelle l’absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie...) d’un neutron (Le neutron est une particule subatomique. Comme son nom l'indique, le neutron est neutre et n'a donc pas de charge électrique (ni positive, ni négative). Les neutrons, avec les protons, sont les...) par un noyau d’uranium provoque parfois la scission de celui-ci en deux parties approximativement égales, ainsi que la libération d’une énorme quantité d’énergie : ils appelèrent ce phénomène "fission nucléaire". Cette hypothèse se basait sur l’importante découverte de Hahn et Strassmann (publiée dans Naturwissenschaften au début du mois de janvier 1939) qui démontrait que le bombardement de l'uranium par des neutrons produisait un isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons dans le noyau d'un...) du baryum.

Bohr avait promis de garder secrète l’interprétation de Meitner et Frisch jusqu’à ce qu’ils publient un article afin de leur assurer la paternité de la découverte et de l'interprétation, mais à bord du bateau (Un bateau est une construction humaine capable de flotter sur l'eau et de s'y déplacer, dirigé ou non par ses occupants. Il répond aux...) en route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie brisée », c'est-à-dire creusée dans la roche, pour ouvrir le chemin.) pour les États-Unis, il en parla avec Léon Rosenfeld, en oubliant de lui demander de respecter le secret.

Dès son arrivée, Rosenfeld en parla à tous les physiciens de Princeton, et la nouvelle se répandit aux autres physiciens, tel Enrico Fermi de l’Université de Columbia. Les conversations entre Fermi, John R. Dunning et G. B. Pegram débouchèrent sur la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...) à Columbia des rayonnements ionisants produits par les fragments du noyau d’uranium obtenus après cette fameuse "fission".

Le 26 janvier 1939, se tint une conférence de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance...) théorique à Washington DC, organisée conjointement par l’Université George Washington et la Carnegie Institution de Washington. Fermi quitta New York (New York , en anglais New York City (officiellement, City of New York) pour la distinguer de l’État de New York, est la principale ville des États-Unis, elle compte a elle seule 8 143 200...) pour participer à cette conférence avant le lancement des expériences de fission à Columbia. Bohr et Fermi discutèrent du problème de la fission, Fermi mentionnant en particulier la possibilité que des neutrons puissent être émis durant le processus. Bien que ce ne soit qu’une hypothèse, ses conséquences c’est-à-dire la possibilité d’une réaction en chaîne étaient évidentes. De nombreux articles à sensation furent publiés dans la presse à ce sujet. Avant la fin de la conférence à Washington, plusieurs autres expériences étaient lancées pour confirmer la thèse de la fission du noyau.

Le 15 février 1939, dans la Physical Review quatre laboratoires annonçaient des résultats positifs (Université de Columbia, Carnegie Institution de Washington, Université Johns-Hopkins, Université de Californie). À ce moment, Bohr savait que des expériences similaires avait été entreprises dans laboratoire de Copenhague (Danemark) vers le 15 janvier (Lettre de Frisch à Nature datée du 16 janvier 1939 et parue dans le numéro du 18 février). Frédéric Joliot à Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre...) avait aussi publié ses premiers résultats dans les Comptes Rendus du 30 janvier 1939. À partir de ce moment là, il y eut une publication régulière d’articles sur la fission, de telle manière que, dans la Review of Modern Physics du 6 décembre 1939, L. A. Turner de Princeton en dénombra presque une centaine.

Le phénomène

Il existe deux types de fissions : la fission spontanée et la fission induite.

Remarque : des noyaux atomiques pouvant fissionner sont dits "fissiles" ou "fissibles". De tels noyaux ont obligatoirement un numéro atomique supérieur ou égal à 89 : ils forment la famille des actinides.

Fission spontanée

Le phénomène de la fission spontanée fut découvert en 1940 par G. N. Flerov et K. A. Petrzak en travaillant sur des noyaux d'uranium 238.

On parle de fission nucléaire spontanée lorsque le noyau se désintègre en plusieurs fragments sans absorption préalable d'un corpuscule (particule). Ce type de fission n'est possible que pour les noyaux extrêmement lourds, car l'énergie de liaison par nucléon est alors plus petite que pour les noyaux moyennement lourds nouvellement formés.

L'uranium 235 et le californium 252 sont par exemple des noyaux spontanément fissiles.

Fission induite

La fission nucléaire de l'uranium.
La fission nucléaire de l'uranium.

La fission induite a lieu lorsqu'un noyau lourd capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui passe au voisinage d'un astre, est retenu dans la gravisphère de ce dernier. La capture de l'objet céleste...) une autre particule (généralement un neutron) et que le noyau composé alors formé se désintègre en plusieurs fragments.

La fission induite de l'uranium 235 par absorption d'un neutron est la réaction de ce type la plus connue. Elle est du type :

{}^{235}_{92}\mathrm{U} + {}^1_0 n \rarr {}^{236}_{92}\mathrm{U} \rarr X + Y + k ~ {}^1_0 n

X et Y étant deux noyaux moyennnement lourds et généralement radioactifs : on les appelle des produits de fission.

Ainsi la fission induite d'un noyau d'uranium 235 peut donner deux produits de fission, le krypton et le baryum, accompagnés de trois neutrons :

{}^{235}_{92}\mathrm{U} + {}^1_0 n \rarr {}^{93}_{36}\mathrm{Kr} + {}^{140}_{56}\mathrm{Ba} + 3~ {}^1_0 n

Les fissions induites les plus couramment utilisées sont la fission de l'uranium 235, de l'uranium 238 et du plutonium (Le plutonium est un métal lourd de symbole chimique Pu et de numéro atomique 94, très dense — approximativement 1,74 fois plus lourd que le plomb — radioactif et toxique, découvert aux...) 239.

Bilan neutronique

Lors de la fission, sont tout de suite émis des neutrons, dits neutrons rapides. Puis, après l'émission de ces neutrons rapides, les produits de fission commencent à se désintégrer par désintégration β et par émission de neutrons après les désintégrations β . Comme ils sont libérés après les neutrons rapides, les neutrons libérés juste après les désintégrations β sont appelés neutrons différés.

Le résultat d'une fission induite par un neutron dépend très largement de l'énergie de ce dernier. On distingue classiquement les neutrons rapides, directement issus d'une fission précédente, et les neutrons thermiques ou lents, auxquels on a fait perdre pratiquement toute leur énergie par de nombreuses collisions avec des noyaux légers, tels que l'hydrogène (dans l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), par exemple), le deutérium (dans l'eau lourde) ou même le carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) (dans du graphite).

Le tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) suivant indique le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de neutrons libérés en moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient tous identiques sans...) et par fission par neutrons thermiques en fonction du noyau considéré :

Noyau considéré Nombre moyen de neutrons libérés
{}^{233}_{}\mathrm{U} 2,49
{}^{235}_{}\mathrm{U} 2,48
{}^{238}_{}\mathrm{U} — *
Uranium naturel 2,48
{}^{239}_{}\mathrm{Pu} 2,90
{}^{241}_{}\mathrm{Pu} 3,00

* L'uranium 238 n'est fissile que par des neutrons rapides.

Répartition des masses des produits de fission

Distribution des produits de fission de l'uranium 235
Distribution des produits de fission de l'uranium 235

La distribution en masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et...) des produits de fission suit une courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les...) "en bosses de chameau". On parle aussi de courbe bimodale : elle possède deux maximums. Il faut savoir que plus de cent nucléides différents peuvent être libérés lors de la fission de l'uranium. Toutefois, tous ces nucléides possédent un numéro atomique entre Z=33 et Z=59. La fission crée des noyaux de nombre de masse (Le nombre de masse (A) est le terme employé en chimie et en physique pour représenter le nombre de nucléons du noyau d'un atome.) (nombre de nucléons) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco,...) de A=95 (brome, krypton, zirconium) pour l'un des fragments et de A=139 (iode, xénon, baryum) pour l'autre.

Une répartition symétrique (A=118 pour l'uranium 235) des masses des produits de fission (0,1 % des fissions) ou une fission en trois fragments (fission tertiaire, 0,005 %des fissions) sont très rares.

Bilan énergétique

Chaque noyau d’uranium 235 qui subit la fission libère de l’énergie et donc de la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !).

L'origine de cette énergie trouve son explication dans le bilan des énergies entre le noyau initial et les deux noyaux produits : les protons d'un même noyau se repoussent vigoureusement par leurs charges électrostatiques, et ceci d'autant plus que leur nombre est élevé (énergie coulombienne), l’énergie correspondante croissant plus vite que proportionnellement au nombre de protons. La fission se traduit donc par un dégagement d'énergie, qui est principalement transmise dans les produits de fission et les neutrons sous forme d'énergie cinétique, qui se transforme rapidement en chaleur.

La chaleur produite lors de la fission de noyaux fissiles d'uranium 235 ou de plutonium 239 peut alors être utilisée pour transformer de l'eau en vapeur (), permettant ainsi d'actionner une turbine (Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d'un fluide (eau, vapeur, air, gaz de combustion), dont le couple est transmis au moyen d'un arbre.) pouvant produire directement de l'énergie mécanique puis par l'intermédiaire d'un alternateur, de l'électricité. C'est cette technique qui est à l'œuvre dans les réacteurs nucléaires destinés à produire de l'électricité.

La réaction en chaîne

Lors d'une réaction de fission nucléaire induite, l'absorption d'un neutron par un noyau fissile permet la libération de plusieurs neutrons, et chaque neutron émis peut à son tour casser un autre noyau fissile. La réaction se poursuit ainsi d'elle-même : c'est la réaction en chaîne. Cette réaction en chaîne n'a lieu que si un neutron au moins émis lors d'une fission est apte à provoquer une nouvelle fission.

Le tableau suivant indique le nombre de neutrons libérés en moyenne par neutron (thermique) capturé en fonction du noyau considéré:

Noyau considéré Nombre de neutrons libérés
{}^{233}_{}\mathrm{U} 2,31
{}^{235}_{}\mathrm{U} 2,08
{}^{238}_{}\mathrm{U} — *
Uranium naturel 1,32
{}^{239}_{}\mathrm{Pu} 2,03
{}^{241}_{}\mathrm{Pu} 2,22

* Voir ci-dessus.

Cette table diffère de la précédente par le fait qu'elle se rapporte à tous les neutrons entrés dans le noyau fissile, et pas seulement à ceux qui donnent lieu à une fission.

On voit ici très bien pourquoi l'uranium naturel n'est pas utilisé directement dans les réacteurs : l'uranium 238 qu’il contient en grande proportion consomme trop de neutrons qui ne donnent pas lieu à une fission ! Pour l'utiliser, il faut l’enrichir en uranium 235.

Dans un milieu réactif, la vitesse (On distingue :) à laquelle se déroule cette réaction en chaîne est mesurée par le facteur de multiplication (La multiplication est l'une des quatre opérations de l'arithmétique élémentaire avec l'addition, la soustraction et la division .).

L'énergie de fission

Un neutron qui entre en collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) avec un noyau fissile peut former avec celui-ci un noyau composé excité, ou être simplement absorbé (capture neutronique). Pour l'uranium 235, la proportion de neutrons capturés est d'environ 16 % pour des neutrons thermiques (ou neutrons lents) ; 9,1 % pour des neutrons rapides.

Dans le cas de la fission induite, la durée de vie (La vie est le nom donné :) moyenne du noyau composé est de l'ordre de 10-14 s. Le noyau se fissionne, et les fragments se séparent à vitesse élevée : au bout de 10−17 s, ces fragments, distants de 10-10 m, émettent, nous l'avons vu, des neutrons.

Suite aux désexcitations γ, des photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement...) γ 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 en énergie thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents...), par l'effet des collisions et des interactions avec les atomes de la matière traversée, sauf pour ce qui concerne les neutrinos, inévitablement émis dans les désintégrations β, et qui s’échappent toujours du milieu (ils peuvent traverser la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre...) sans interagir).

Le tableau suivant indique comment se répartit l'énergie libérée à la suite de la fission d'un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un...) d'uranium 235, induite par un neutron thermique (ces données sont des moyennes calculées sur un grand nombre de fissions).

Énergie de fission de {}^{235}_{\ 92} \mathrm{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 γ de fission 8 3,9
Énergie des neutrinos 11 5,5 énergie instantanée perdue
Total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le...) 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

Notion de masse critique

Il ne suffit pas que le facteur de multiplication des neutrons soit plus grand que 1 pour que la réaction en chaîne s'entretienne : d'une part, les neutrons sont instables et peuvent se désintégrer, mais ceci joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et fermer la bouche et à mastiquer.) peu, car leur temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de vie moyen est de près d'un quart d'heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y compris en sciences (« heure...), mais surtout, ils peuvent sortir du milieu où l'on essaie de faire une réaction en chaîne. Il faut qu'ils aient une collision avant de sortir, sinon ils ne participent plus à la réaction en chaîne. L’épaisseur moyenne du milieu fissile doit donc être assez grande pour assurer une probabilité suffisante pour les neutrons de rencontrer un noyau fissile. Ceci amène à la notion de masse critique de l'élément fissile, qui est une masse en-dessous de laquelle on ne peut plus garder suffisamment de neutrons, quelle que soit la forme de la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un...) fissile, pour maintenir la réaction. Ceci explique pourquoi l'on ne peut pas avoir de mini-réacteurs nucléaires ou de mini-bombes atomiques.

Sources

  • Bonin (Bernard), Klein (Étienne), Cavedon (Jean-Marc) , Moi, U235, atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie...) radioactif, Flammarion, 2001
  • Bröcker (Bernhard), Atlas de la physique atomique et nucléaire, La pochotèque, Le Livre de Poche, 1997
  • Collectif, La Physique et les Éléments, Université de tous les savoirs, Odile Jacob, 2002
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