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Énergie nucléaire

La fission nucléaire, qu'est-ce que c'est, comment ça marche et exemples

La fission nucléaire, qu'est-ce que c'est, comment ça marche et exemples

La fission nucléaire est la réaction physico-chimique par laquelle le noyau d'un atome est divisé. Grâce à cette opération, une grande quantité d'énergie est obtenue.

Le noyau des atomes est composé d'autres sous-particules plus petites : les protons et les neutrons. Selon l'élément du tableau périodique, la composition de ces sous-particules varie. Les protons ont une charge positive, ils ont donc tendance à se repousser. En revanche, les neutrons sont neutres, c'est-à-dire qu'ils n'ont pas de charge.

Les sous-particules de l'atome sont maintenues ensemble grâce à une force nucléaire qui les maintient ensemble. La force nucléaire est cent fois plus forte que la force électromagnétique .

Le but d'un processus de fission nucléaire est de modifier cet équilibre des forces, de briser cette force nucléaire et de permettre aux nucléons de se séparer.

Après la fission du noyau atomique on obtient divers fragments, deux ou trois neutrons et l'émission d'une grande quantité d'énergie. Ces fragments sont appelés produits de fission qui, ayant modifié leur composition protonique, sont des éléments chimiques différents.

La fission ne doit pas être confondue avec la fusion nucléaire, qui est un moyen d'obtenir de l'énergie à partir de la fusion de deux atomes légers. Les réactions qui ont lieu dans le Soleil sont de fusion nucléaire

D'où vient l'énergie des réactions de fission ?

Dans chaque processus de fission, il y a une perte de masse : la somme des masses des produits de fission est inférieure à la masse d'origine de l'atome. La masse manquante est convertie en énergie selon l'équation d'Einstein :

E = mc2 

Où:

  • E est l'énergie obtenue.

  • m est la masse "perdue"

  • c est une constante : la vitesse de la lumière qui est de 299 792 458 m/s2.

L'énergie résultant d'une réaction de fission est sous forme de chaleur.

La fission nucléaire peut se produire lorsqu'un noyau d'un atome lourd capture un neutron ou spontanément en raison d'une instabilité isotopique.

Quel est l'élément chimique utilisé dans une réaction de fission nucléaire ?

Le matériau utilisé comme combustible nucléaire a une structure atomique très instable. Les isotopes de l'uranium et du plutonium sont généralement utilisés. Les caractéristiques de ces atomes sont qu'ils sont très lourds, avec un grand nombre de protons chargés positivement dans le noyau.

Les isotopes sont des atomes du même élément mais avec des nombres de neutrons différents. Par exemple, l'isotope de l' uranium-235 est plus instable que l'uranium naturel.

Ayant autant de protons chargés positivement, le noyau a du mal à maintenir les liaisons de force pour les maintenir ensemble. Pour cette raison, la collision avec un seul neutron suffit à déstabiliser toute la structure et à la casser.

Réactions en chaîne de fission nucléaire

Une réaction en chaîne est un processus par lequel les neutrons libérés dans une première fission nucléaire produisent une fission supplémentaire dans au moins un autre noyau. Cette fission du noyau atomique libère à son tour des neutrons plus rapides donnant la possibilité de répéter le processus.

La fission nucléaire, qu'est-ce que c'est, comment ça marche et exemplesLes neutrons sont de bons projectiles pour frapper le noyau car ils n'ont pas de charge électrique et le noyau atomique ne les rejette pas. Les neutrons rapides peuvent devenir des neutrons lents lorsqu'ils entrent en collision avec des particules dans un modérateur. Les neutrons lents sont plus susceptibles de frapper le noyau d'un autre atome de combustible.

Ces réactions en chaîne peuvent être contrôlées ou incontrôlées.

Quelle est la masse critique ?

La masse critique est la quantité minimale de matières fissiles pour qu'une réaction nucléaire en chaîne ait lieu.

Bien que deux à trois neutrons soient produits dans chaque fission nucléaire, tous les neutrons ne sont pas disponibles pour poursuivre la réaction de fission ; certains sont perdus. Si les neutrons libérés par chaque réaction nucléaire sont perdus plus rapidement qu'ils ne sont formés par fission, la réaction en chaîne ne sera pas auto-entretenue et s'arrêtera.

La quantité de masse critique d'une matière fissile dépend de plusieurs facteurs : propriétés physiques, propriétés nucléaires, sa géométrie et sa pureté.

Comment les réactions de fission en chaîne sont-elles contrôlées ?

La fission nucléaire, qu'est-ce que c'est, comment ça marche et exemples

Les éléments d'absorption des neutrons sont utilisés pour contrôler la quantité de neutrons libres dans l'espace de réaction. La plupart des réacteurs électronucléaires sont commandés au moyen de barres de commande constituées d'un matériau qui a la propriété d'absorber les neutrons libres, par exemple le bore ou le cadmium.

En plus de la nécessité de capturer les neutrons, les neutrons ont souvent beaucoup d'énergie cinétique. La vitesse de ces neutrons rapides est réduite grâce à l'utilisation d'un modérateur de neutrons, tel que l'eau lourde et l'eau courante.

Certains réacteurs nucléaires utilisent du graphite comme modérateur, mais cette conception présente plusieurs problèmes. Une fois que les neutrons rapides ont ralenti, ils sont plus susceptibles de produire plus de fissions nucléaires ou d'être absorbés par les barres de contrôle.

Fission nucléaire spontanée

Dans les réactions spontanées de fission nucléaire, l'absorption d'un neutron n'est pas nécessaire.

Le taux de fission nucléaire spontanée est la probabilité par seconde qu'un atome donné se fissure spontanément. C'est-à-dire sans aucune intervention extérieure. Le plutonium 239 a un taux de fission spontanée très élevé par rapport au taux de fission spontanée de l' uranium 235.

Exemples de fission nucléaire

Voici quelques exemples de réactions de fission nucléaire :

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Date de publication : 18 décembre 2009
Dernier examen : 20 octobre 2021