La fission nucléaire est une réaction nucléaire dans laquelle le noyau d'un atome lourd se divise en deux ou plusieurs fragments plus petits, libérant une grande quantité d'énergie.
Cette réaction peut être induite par la capture d'un neutron par un noyau, ou spontanément en raison de l'instabilité de l'isotope.
Les noyaux atomiques sont composés de protons et de neutrons. Les protons ont une charge positive et ont tendance à se repousser, tandis que les neutrons n'ont pas de charge. Ces particules sont maintenues ensemble par la force nucléaire forte, qui est beaucoup plus forte que la force électromagnétique qui maintient les électrons autour du noyau.
La fission nucléaire consiste à briser cette force nucléaire, permettant aux nucléons (protons et neutrons) de se séparer.
Comment fonctionne la fission nucléaire ?
La fission nucléaire est un processus dans lequel le noyau d'un atome lourd, comme l'uranium 235 ou le plutonium 239, se divise en deux ou plusieurs noyaux plus légers, libérant une grande quantité d'énergie.
Ce processus commence lorsqu’un neutron libre frappe le noyau d’un atome fissile, provoquant l’instabilité du noyau et sa rupture. Lorsque le noyau se divise, il libère des neutrons supplémentaires, qui peuvent continuer à impacter d’autres noyaux, déclenchant ainsi une réaction en chaîne.
L'énergie libérée lors de la fission provient de la perte de masse lors de la fission du noyau, qui est convertie en énergie selon la célèbre équation d'Einstein, \( E = mc^2 \). Les fragments résultant de la fission sont des produits de fission, qui sont des éléments chimiques différents, et les neutrons libérés peuvent être utilisés pour poursuivre le processus.
Dans les réacteurs nucléaires, cette réaction contrôlée génère de la chaleur qui est convertie en énergie électrique. Cependant, dans les armes nucléaires, la fission se produit de manière incontrôlée, libérant une énorme explosion d’énergie.
Production d'énergie par fission nucléaire
L'énergie libérée lors de la fission nucléaire provient de la conversion d'une petite quantité de masse en énergie, selon l'équation d'Einstein, \( E = mc^2 \), où :
- E est l'énergie obtenue,
- m est la masse « perdue » lors de la fission,
- c est la vitesse de la lumière dans le vide (299 792 458 m/s).
Cette énergie est libérée sous forme de chaleur, qui peut être utilisée dans les réacteurs nucléaires pour produire de l’électricité.
L'élément chimique dans la fission nucléaire
Le matériau fissile utilisé dans les réactions nucléaires est généralement l’uranium 235 (U-235) ou le plutonium 239 (Pu-239).
Ces isotopes sont instables en raison du grand nombre de protons dans leurs noyaux, ce qui rend la structure atomique sujette à la fission lorsqu'elle interagit avec un neutron. Les isotopes sont des versions du même élément avec un nombre différent de neutrons, et la fission se produit généralement lorsqu'un neutron frappe un atome d'uranium 235 ou de plutonium 239, déclenchant une chaîne de réactions.
Réactions en chaîne
La fission nucléaire peut produire une réaction en chaîne.
Dans ce processus, les neutrons libérés par une fission induisent de nouvelles fissions dans d’autres atomes, générant plus de neutrons et libérant plus d’énergie. Les neutrons résultants peuvent être absorbés par d’autres atomes de combustible, ce qui maintient la réaction en cours. Cette chaîne peut être contrôlée ou non contrôlée :
- Contrôlé : Dans les réacteurs nucléaires, où la quantité de neutrons est régulée par des barres de contrôle (constituées de matériaux tels que le bore ou le cadmium qui absorbent les neutrons), permettant de maintenir la réaction à un niveau constant et sûr.
- Incontrôlé : Lors d'une explosion nucléaire, comme dans les bombes atomiques, où la réaction s'accélère de manière incontrôlable et une énorme quantité d'énergie est libérée rapidement et de manière destructrice.
Masse critique et contrôle de la réaction
La masse critique est la quantité minimale de matière fissile nécessaire pour que la réaction en chaîne soit auto-entretenue.
Si la matière fissile est inférieure à la masse critique, les neutrons sont perdus plus rapidement qu’ils ne sont générés et la réaction s’arrête. La quantité de masse critique dépend de facteurs tels que la géométrie du matériau, sa pureté et ses propriétés physiques.
Fission nucléaire spontanée
Lors d' une fission nucléaire spontanée , un atome peut se diviser sans qu'un neutron ne le frappe. Ce phénomène se produit naturellement dans certains isotopes, comme le plutonium 239, qui a un taux de fission spontanée plus élevé que l’uranium 235. Bien que ce processus soit rare, il peut contribuer à l’activité radioactive de certains matériaux.
Applications de la fission nucléaire
La fission nucléaire a diverses applications :
- Production d'électricité : Dans les centrales nucléaires, l'énergie libérée lors de la fission est utilisée pour chauffer l'eau et produire de la vapeur, qui entraîne des turbines génératrices d'électricité.
- Propulsion des sous-marins nucléaires : Les sous-marins nucléaires utilisent des réacteurs à fission pour produire de l'énergie et permettent aux sous-marins de fonctionner pendant de longues périodes sans avoir besoin de faire le plein.
- Bombes atomiques : La fission nucléaire est également utilisée dans les armes nucléaires, où des réactions incontrôlables provoquent une libération massive d'énergie.
- Production de plutonium : Grâce à l'irradiation de l'uranium 238, le plutonium 239 peut être produit dans les réacteurs nucléaires, un processus clé dans la fabrication de combustibles nucléaires et d'armes nucléaires.
Fusion contre Fission
Il est important de ne pas confondre la fusion nucléaire avec la fission nucléaire . La fusion implique la fusion de deux noyaux légers pour former un noyau plus lourd, libérant ainsi de l'énergie, comme cela se produit dans le Soleil. La fission, en revanche, implique la division d'un noyau lourd en fragments plus petits, libérant ainsi de l'énergie. La fusion nucléaire est toujours confrontée à des défis techniques importants quant à son utilisation pratique dans la production d’électricité, tandis que la fission est largement utilisée aujourd’hui.
En résumé, la fission nucléaire est une réaction puissante et complexe qui non seulement nous fournit une source importante d’énergie, mais pose également des défis importants en termes de sécurité et de gestion des déchets radioactifs.