Nouvelles perspectives sur le mécanisme de la fission nucléaire

Publié par Adrien le 26/02/2021 à 09:00
Source: CNRS IN2P3
La collaboration internationale nu-Ball, travaillant sur l'installation ALTO du laboratoire IJCLab, apporte de nouveaux résultats éclairant la manière dont les fragments de fission d'un noyau atomique acquièrent spontanément un mouvement de rotation sur eux même: le moment angulaire (En physique, le moment angulaire ou moment cinétique est la grandeur physique qui joue un rôle...). Cette étude à laquelle sont associés 6 laboratoires de l' IN2P3 (L'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) est un institut de...), fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) d'une publication ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...) dans la revue Nature.


Le spectromètre nu-Ball sur l'installation ALTO à IJCLab détecte les rayons gamma émis lors des réactions de fission.
© CNRS/Luc Petizon.

La fission nucléaire (La fission nucléaire est le phénomène par lequel le noyau d'un atome lourd (noyau...), dans laquelle un noyau lourd se scinde en deux et libère de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...), est connue depuis plus de 80 ans. Cependant, aujourd'hui encore, des questions restent ouvertes sur le phénomène. Les scientifiques se demandent notamment comment expliquer que lorsqu'un noyau atomique (Le noyau atomique désigne la région située au centre d'un atome constituée de protons et de...) lourd fissionne, les fragments qui en résultent possèdent un moment angulaire (ils tournent sur eux-mêmes), tandis que le noyau original n'en a pas du tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...). Ce phénomène, extrêmement complexe à observer, est au coeur d'une nouvelle étude menée par la collaboration internationale nu-Ball dirigée par le Laboratoire Irène-Joliot-Curie (IJCLab) à Orsay. Ses résultats paraissent aujourd'hui dans l'article "Angular momentum generation in nuclear fission" publié dans la revue Nature.

Pour s'attaquer à cette question, la collaboration nu-Ball a cherché à préciser le moment précis où le moment angulaire apparaissait dans les fragments. S'il était créé pendant la déformation du noyau fissionnant ou juste après la rupture. Dans le premier cas, un couplage entre les spins des deux fragments devait être constaté. L'absence de couplage plaiderait en revanche pour une mise en rotation décalée. Pour mesurer cela la collaboration nu-Ball a induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de...) des réactions de fission nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) avec la source de neutrons pulsés Licorne et a mesuré les rayons gamma émis lors de l'expérience avec l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) de détection gamma nu-Ball. Les échantillons irradiés étaient de l'isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique...) d'uranium (L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un...) 238U et de l'isotope de thorium (Le thorium est un élément chimique, un métal de la famille des actinides, de symbole...) 232Th. Les expériences ont été réalisées de février à juin 2018 avec plus de 1200 heures (L'heure est une unité de mesure  :) de faisceau cumulé auprès de l'accélérateur du tandem.

Les nouvelles données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) semblent indiquer que le moment angulaire observé dans les fragments de fission est en fait généré après la division (La division est une loi de composition qui à deux nombres associe le produit du premier par...) du noyau. Comme attendu, les détecteurs gamma observent que le moment angulaire moyen des fragments varie avec leur masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...), en suivant une courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du...) en dent (Une dent est un organe enveloppé d'os, dur, blanchâtre, généralement...) de scie (Une scie est un outil destiné à couper le bois ou d'autres types de matériaux, constituée d'une...). Mais il ressort aussi que les deux fragments ont des masses distinctes et un spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque...) moyen différent.

"Une rotation générée après la fission"

Jonathan Wilson (IJCLab), porte-parole de la collaboration nu-Ball, déclare: "Ce qui m'a vraiment surpris, c'est l'absence de dépendance significative du spin moyen observé dans un fragment par rapport au spin minimum exigé dans le fragment partenaire. Cette observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) discrédite la plupart des théories qui supposent que le moment angulaire est généré avant la fission. Nos résultats montrent que cette rotation du fragment sur lui-même est générée après la fission. On pourrait illustrer le phénomène par un élastique tendu qui serait brusquement lâché et générerait une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) de rotation ou de torsion (La torsion est la déformation subie par un corps soumis à l'action de deux couples opposés...)".

Ces nouvelles perspectives sur le rôle du moment angulaire dans la fission nucléaire sont importantes pour la compréhension fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) et la description théorique du processus de fission. Elles ont également des conséquences dans d'autres domaines de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...), comme l'étude de la structure des isotopes riches en neutrons ; la synthèse et la stabilité des éléments super-lourds ; mais aussi dans des applications pratiques telles que le problème d'échauffement dans les réacteurs nucléaires dû à l'émission des rayons gamma. L'évaluation de la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) de rayons gamma émise lors de la fission nucléaire est déterminante pour le calcul des effets calorifiques.

Publication:
J.N. Wilson et al., "Angular momentum generation in nuclear fission" (2021), Nature.
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