Centrale nucléaire Isar, Allemagne

Piscine de combustible nucléaire usé

Turbine d'une centrale nucléaire

La fission nucléaire

La fission nucléaire

La fission nucléaire est la réaction physico-chimique par laquelle le noyau d'un atome est divisé. L’intérêt principal des réactions de fission est que cette opération permet d’obtenir une grande quantité d’énergie. L'énergie nucléaire est l'énergie contenue dans le noyau d'un atome et l'énergie obtenue est l'énergie thermique, l'énergie sous forme de chaleur.

L'autre forme d'exploitation consiste en des réactions de fusion nucléaire. Dans ce cas, le processus est inverse, fusionnant deux noyaux différents formant un seul noyau atomique.

Après la fission du noyau atomique, nous obtenons plusieurs fragments d'une masse presque égale à la moitié de la masse d'origine plus deux ou trois neutrons. La libération de ces deux ou trois neutrons est remarquable car ce sont eux qui permettront une nouvelle réaction dans un autre atome.

La somme des masses de ces fragments est inférieure à la masse d'origine. Ce «manque» de masses (environ 0,1% de la masse initiale) a été converti en énergie selon l'équation d'Einstein (E = mc 2 ). Dans cette équation, E correspond à l'énergie obtenue, ma la masse dont nous parlons et c est une constante, celle de la vitesse de la lumière: 299 792 458 m / s 2 . L'énergie obtenue se présente sous forme de chaleur; c'est donc de l'énergie thermique.

La fission nucléaire peut se produire lorsqu'un noyau d'atome lourd capture un neutron (fission induite) ou peut se produire spontanément en raison de l'instabilité de l'isotope (fission spontanée).

Le matériau utilisé comme combustible nucléaire a une structure atomique très instable. L'uranium et le plutonium sont généralement utilisés. La caractéristique de ces atomes est qu’ils sont très lourds, avec un grand nombre de protons avec une charge positive dans le noyau. En ayant autant de protons avec une charge positive dans le noyau, il est très difficile de maintenir les liens de forces pour les maintenir ensemble. Pour cette raison, la collision avec un seul neutron est suffisante pour déstabiliser la structure entière et la rompre.

Réactions de fission en chaîne nucléaire

Schéma d'une chaîne de réactions nucléaires de fission

Une réaction en chaîne est un processus par lequel les neutrons qui ont été libérés lors d'une première fission nucléaire produisent une fission supplémentaire dans au moins un noyau supplémentaire. Ce noyau atomique se fissure et libère plus de neutrons, ce qui permet au processus de se répéter.

Ces réactions en chaîne peuvent être contrôlées ou non. Les réactions contrôlées seraient les réactions nucléaires produites dans le réacteur nucléaire d'une centrale nucléaire dans le but de générer de l'énergie électrique de manière constante et équilibrée. Les réactions nucléaires incontrôlées se produisent dans le cas des armes nucléaires dans lesquelles le but est de générer une grande quantité d'énergie en un instant.

Si dans chaque réaction de fission nucléaire provoquée par un neutron, deux neutrons supplémentaires sont libérés, le nombre de fissions double par génération. Dans ce cas, sur 10 générations, il y a 1 024 fissions et sur 80 générations, environ 6 x 10 23  fissions.

Masse critique

La masse critique est la quantité minimale de matière fissile pour qu'une réaction nucléaire en chaîne soit maintenue.

Bien qu'il y ait deux à trois neutrons dans chaque fission nucléaire, tous 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'un matériau fissile dépend de plusieurs facteurs: propriétés physiques, propriétés nucléaires, sa géométrie et sa pureté.

Une sphère a la surface minimale possible pour une masse donnée et minimise ainsi les fuites de neutrons. Si nous contournons également la matière fissile avec un réflecteur à neutrons, beaucoup moins de neutrons sont perdus et la masse critique est réduite.

Bien que l'uranium puisse être trouvé naturellement, l'uranium utilisé dans les réacteurs nucléaires est ce qu'on appelle l'uranium enrichi. L'uranium enrichi est de l'uranium qui a été soumis à un traitement visant à en faire un isotope plus instable. C'est ce qu'on appelle les atomes d'isotopes du même élément, dont les noyaux ont un nombre de neutrons différent et, par conséquent, diffèrent par le nombre de leurs masses.

Fission nucléaire contrôlée

Schéma sur la façon dont les neutrons libérés sont contrôlés pour contrôler la réaction de fission en chaîne

Pour maintenir un contrôle soutenu de la réaction nucléaire, pour 2 ou 3 neutrons libérés, il ne faut laisser qu’un seul entrer en collision avec un autre noyau d’uranium. Si ce rapport est inférieur à un, la réaction mourra et si elle est plus grande, elle deviendra incontrôlable (une explosion atomique).

Les éléments d'absorption de neutrons sont utilisés pour contrôler la quantité de neutrons libres dans l'espace de réaction. La plupart des réacteurs nucléaires de puissance sont contrôlés au moyen de barres de contrôle 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 (ils se déplacent à grande vitesse). Ces neutrons rapides sont réduits grâce à l'utilisation d'un modérateur, tel que l'eau lourde et l'eau courante. Certains réacteurs nucléaires utilisent le graphite comme modérateur, mais cette conception pose plusieurs problèmes. Une fois que les neutrons rapides ont ralenti, ils sont plus susceptibles de produire plus de fission nucléaire ou d'être absorbés par les barres de contrôle.

Fission nucléaire spontanée

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

Le taux de fission nucléaire spontanée est la probabilité par seconde qu'un atome donné soit déclenché spontanément, c'est-à-dire sans aucune intervention externe. Le taux de fission spontanée du plutonium 239 est très élevé par rapport au taux de fission spontanée de l'uranium 235. Dans certains isotopes de l'uranium, et en particulier du plutonium, leur structure atomique est tellement instable qu'ils se fendent spontanément.

Vidéo sur la fission nucléaire

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Références

Dernier examen: 15 mars 2019