Centrale nucléaire Isar, Allemagne

Piscine de combustible nucléaire usé

Turbine d'une centrale nucléaire

La fission nucléaire

La fission nucléaire

Il existe deux façons différentes d’obtenir de l’énergie grâce à la manipulation de noyaux d’un ou de plusieurs atomes : l’union de noyaux d’atomes différents (il s’agit alors de fusion nucléaire) ou la division des noyaux d’un atome déterminé (c’est le cas de la fission nucléaire).

Dans le domaine de l’énergie nucléaire, nous dénommons fission nucléaire la division du noyau d’un atome. Le noyau se transforme en différents fragments avec une masse presque identique à la moitié de la masse initiale plus deux ou trois neutrons.

La somme des masses de ces fragments est inférieure à la masse initiale. Ce « manque » de masse (autour de 0,1 % de la masse initiale) se transforme en énergie selon l’équation d’Einstein (E = mc2). Dans cette équation, « E » correspond á l’énergie obtenue, « m » à la masse dont nous parlons et « c » est une constante, celle de la vitesse de la lumière : 299.792.458 m/s2.

La fission nucléaire peut se produire lorsque le noyau d’un atome lourd capture un neutron (fission induite) ou de façon spontanée en raison de l’instabilité de l’isotope (fission spontanée).

 

Réactions nucléaires en chaîne

Schéma d'une chaîne de réactions de fission nucléaire

Une réaction en chaîne est un processus par lequel les neutrons libérés lors de la première fission nucléaire produisent une fission supplémentaire dans au moins un noyau de plus. Ce noyau à son tour produit des neutrons et le processus se répète.

Ces réactions en chaîne peuvent être contrôlées ou non. Les réactions contrôlées sont les réactions nucléaires produites dans les centrales nucléaires dont l’objectif est de produire de l’énergie nucléaire constamment. Quant aux réactions nucléaires non contrôlées, elles se produisent dans le cas des armes nucléaires.

 

Si pour chaque fission provoquée par un neutron, deux neutrons sont libérés, le nombre de fissions double alors à chaque génération. Dans ce cas, il y a 1.024 fissions toutes les 10 générations et 6 x 1023 fissions toutes les 80 générations environ.

Masse critique

La masse critique est la quantité minimum de matériel fissible nécessaire pour que la réaction nucléaire en chaîne se maintienne.

Bien que pour chaque fission nucléaire deux ou trois neutrons se génèrent, ceux-ci ne sont pas tous disponibles pour continuer la réaction de fission ; certains se perdent. Si les neutrons libérés par chaque réaction nucléaire se perdent à un rythme plus rapide que ceux qui se forment par la fission, la réaction en chaîne ne sera pas autonome et s’interrompra.

La quantité de masse critique de matière fissible dépend de divers facteurs : des propriétés physiques, des propriétés nucléaires, de leur géométrie et de leur pureté.

Une sphère a la superficie minimum possible pour une masse donnée et réduit donc au minimum la fuite des neutrons. Si la matière fissible est de plus contournée par un réflecteur, il est possible de perdre beaucoup moins de neutrons et la masse critique est ainsi considérablement réduite.

La fission nucléaire contrôlée

Grille pour que les neutrons libérés soient contrôlés pour contrôler la réaction de fission en chaîne

Pour maintenir un contrôle autonome de la réaction nucléaire, pour chaque 2 ou 3 neutrons libérés, il n’est permis qu’à un seul neutron de donner à un autre noyau d’uranium. Si cette proportion est inférieure à un, la réaction va mourir. Par-contre, si elle est plus grande, la réaction va croître sans contrôle (explosion atomique). Afin de contrôler la quantité de neutrons libres dans l’espace de réaction, il faut un élément d’absorption de neutrons. La majorité des réactions est contrôlée au moyen de barres de contrôles faites de neutrons d’un matériel fort et absorbant comme le bore ou le cadmium.

En plus de la nécessité de capturer des neutrons, souvent les neutrons ont beaucoup d’énergie cinétique (ils se déplacent à grande vitesse).  Ces neutrons rapides se réduisent grâce à l’utilisation d’un modérateur, comme de l’eau lourde et de l’eau courante. Certains réacteurs utilisent du graphite comme modérateur, mais cette conception pose plusieurs problèmes : une fois que les neutrons rapides ont été freinés, ils sont plus susceptibles de produire plus de fissions nucléaires ou d’être absorbés par les barres de contrôle.

La fission nucléaire spontanée

Fission spontanée

Pour ce type de réactions, l’absorption d’un neutron extérieur n’est pas nécessaire. Certains isotopes de l’uranium et surtout du plutonium ont une structure atomique si instable que la fission se produit spontanément.

Le taux de la fission nucléaire spontanée est la probabilité par seconde qu’un atome donné souffre une fission de façon spontanée, c'est-à-dire sans aucune intervention externe. Le plutonium 239 a un taux de fission spontanée très élevé par rapport au taux de fission spontanée de l’uranium 235.

Vidéo illustratif de la fission nucléaire

Dans le vidéo suivant, vous pourrez observer comment un neutron lancé contre un noyau produit une fission nucléaire qui donnera lieu à d’autres fissions nucléaires en chaîne. Dans la deuxième partie, la même première séquence agrandie est reproduite.

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Références

Dernier examen: 21 avril 2014