La fission nucléaire est un phénomène puissant et polyvalent qui a laissé une marque indélébile sur la science et la technologie modernes. De la production d’électricité à la médecine en passant par l’exploration spatiale, la fission nucléaire s’est avérée être un moteur essentiel de l’innovation.
Ci-dessous, je vous montre différentes applications qui utilisent la fission nucléaire avec quelques exemples de chacune :
Exemple 1 : Production d'énergie électrique
L’un des exemples les plus notables de la fission nucléaire est son utilisation dans la production d’énergie électrique dans les centrales nucléaires. Ces installations exploitent l’immense quantité d’énergie libérée lors de la fission pour produire de l’électricité de manière efficace et continue.
Dans une centrale nucléaire, un combustible nucléaire, tel que l’uranium 235 ou le plutonium 239, est utilisé comme matière fissile. Lorsque ces noyaux capturent des neutrons, ils deviennent instables et se divisent en deux ou plusieurs fragments plus petits.
Ce processus libère une grande quantité d’énergie sous forme de chaleur. Cette chaleur est utilisée pour chauffer l’eau et produire de la vapeur, qui à son tour entraîne des turbines reliées à des générateurs électriques. Le résultat est une production d’électricité à grande échelle.
Exemple
La centrale nucléaire de Fukushima Daiichi au Japon produisait environ 30 % de l'électricité de la région de Tohoku avant son tragique accident en 2011. Cet exemple illustre l’importance cruciale de la fission nucléaire dans la production d’énergie à grande échelle.
Exemple 2 : Propulsion spatiale
La fission nucléaire a également été explorée comme une option prometteuse pour la propulsion des engins spatiaux. L’énergie élevée libérée par la fission pourrait permettre aux engins spatiaux de voyager à des vitesses beaucoup plus élevées et d’explorer des destinations lointaines dans l’espace.
La propulsion nucléaire dans l'espace repose sur l'idée d'utiliser un réacteur nucléaire à bord d'un vaisseau spatial pour chauffer et expulser du propulseur, comme l'hydrogène, via un moteur de propulsion. L’énergie libérée par la fission est utilisée pour chauffer ce propulseur à des températures extrêmement élevées, créant un jet d’échappement à grande vitesse qui propulse l’engin vers l’avant.
Exemple
Le projet Orion de la NASA est un exemple clé de système de propulsion nucléaire qui pourrait réduire considérablement les temps de voyage interplanétaire. Cette technologie pourrait ouvrir la voie à des missions habitées vers Mars et au-delà.
Exemple 3 : Production de radio-isotopes
La fission nucléaire est utilisée pour produire des radio-isotopes, qui ont de nombreuses applications médicales, industrielles et scientifiques. Par exemple, le radio-isotope technétium 99m est utilisé en médecine nucléaire pour l’imagerie diagnostique.
Les radioisotopes sont des atomes instables qui émettent des rayonnements ionisants. Ce rayonnement est utilisé dans des applications médicales pour diagnostiquer des maladies et dans des thérapies pour traiter certains types de cancer. La production contrôlée de radio-isotopes dans les réacteurs nucléaires est essentielle pour assurer un approvisionnement constant et fiable de ces matériaux vitaux.
Exemple
Le technétium 99m est essentiel pour les procédures médicales telles que les scintigraphies osseuses, qui aident les médecins à diagnostiquer les maladies osseuses et à évaluer la fonction de la glande thyroïde.
Exemple 4 : Les armes nucléaires
Bien que cet exemple soit controversé, la fission nucléaire a également été utilisée dans la fabrication d’armes nucléaires. Ces armes exploitent la libération d’énergie extrêmement puissante qui se produit lors de la fission pour provoquer des explosions dévastatrices.
Les armes nucléaires à fission fonctionnent en créant une réaction en chaîne incontrôlable dans laquelle une série de noyaux d’uranium 235 ou de plutonium 239 se divisent et libèrent une quantité massive d’énergie sous la forme d’une explosion nucléaire. Ce type d’arme possède un pouvoir destructeur dévastateur et a donné lieu à des efforts internationaux pour limiter sa prolifération.
Exemple
Le développement de la bombe atomique dans le cadre du projet Manhattan dirigé par le physicien Robert Oppenheimer a été le premier exemple dans lequel la fission nucléaire a été utilisée pour créer une bombe. Le bombardement atomique d’Hiroshima et de Nagasaki pendant la Seconde Guerre mondiale illustre tragiquement l’impact destructeur des armes nucléaires à fission.
Détonation d'une bombe atomique
Les bombes atomiques utilisent la fission nucléaire pour libérer une énorme quantité d’énergie en peu de temps. Les fissions de l'uranium 235 ou du plutonium 239 libèrent des neutrons qui à leur tour induisent davantage de fissions, créant une réaction en chaîne incontrôlée et déclenchant une explosion dévastatrice.
Exemple 5 : Réactions nucléaires naturelles sur Terre
Dans certains endroits de la Terre, comme le gisement d'Oklo au Gabon, une réaction nucléaire spontanée naturelle a été découverte, survenue il y a environ 2 milliards d'années.
Ce type de fission naturelle se produit lorsque les conditions géologiques permettent à un réacteur nucléaire de rester autonome pendant une longue période.
Exemple 6 : Recherche nucléaire
La fission nucléaire joue également un rôle crucial dans la recherche scientifique. Les accélérateurs de particules et les réacteurs de recherche utilisent la fission pour étudier la structure de la matière et réaliser des expériences nucléaires contrôlées.
Les réacteurs de recherche sont des installations spécifiquement conçues pour réaliser des expériences nucléaires contrôlées. Ces réacteurs sont utilisés dans une grande variété de domaines, de la physique des particules à la recherche médicale et à la génération d’isotopes pour des applications industrielles et médicales.
Exemple
Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN utilise des accélérateurs qui exploitent les principes de la fission nucléaire pour faire entrer en collision des particules subatomiques et étudier la physique fondamentale.
Exemple 7 : Obtention de plutonium à partir de l'uranium
Dans un réacteur nucléaire, l’uranium 238 (U-238), qui constitue la majorité de l’uranium naturel, n’est pas fissile en soi. Cependant, lorsque l’uranium 238 capture un neutron au cours du processus de fission nucléaire, il se transforme en uranium 239. Cet isotope est instable et, par une série de désintégrations bêta, devient du neptunium 239 puis du plutonium 239 (Pu 239), un isotope fissile.
Ce processus se déroule en continu dans le réacteur et le plutonium 239 généré peut participer à des réactions de fission, libérant ainsi une grande quantité d’énergie.
Le plutonium 239 ainsi obtenu est essentiel aussi bien pour les réacteurs nucléaires que pour la production d’armes nucléaires. Dans les réacteurs, le plutonium 239 peut être utilisé comme combustible nucléaire, car il est également fissile, ce qui permet de produire plus d’énergie. Dans le domaine militaire, cet isotope est précieux car il est utilisé dans la fabrication d'armes nucléaires en raison de sa capacité à libérer de l'énergie dans une réaction nucléaire en chaîne.