Réaction nucléaire en chaîne

Figure 1. Un neutron frappe un noyau de 235U et provoque un événement de fission. Cela libère plus de neutrons. Contrairement à la figure, un seul nouvel événement de fission se produit, en moyenne, à la suite de la libération de ces neutrons.

Une réaction nucléaire en chaîne se produit lorsque le résultat d'une réaction provoque d'autres réactions. Ces réactions en chaîne sont presque toujours une série d'événements de fission, qui dégagent des neutrons en excès. Ce sont ces neutrons en excès qui peuvent provoquer d'autres événements de fission, d'où vient le nom de réaction en chaîne. Les réactions nucléaires en chaîne sont essentielles au fonctionnement des centrales nucléaires.

Les réactions chimiques impliquent la recombinaison de différentes espèces chimiques. Les réactions nucléaires impliquent l'interaction de différents types de noyaux, appelés espèces nucléaires. Plusieurs réactions chimiques sont également des réactions en chaîne, présentant de nombreuses similarités avec les réactions nucléaires en chaîne. Ces similarités incluent :

  • le maintien de la réaction lorsqu'il y a des espèces chimiques ou nucléaires disponibles pour réagir et l'arrêt de la réaction lorsque celles-ci sont éliminées ou épuisées ;
  • le contrôle de la réaction (démarrage, accélération, ralentissement et arrêt) en ajoutant ou en retirant des espèces chimiques ou nucléaires dans cette chaîne ;
  • la libération de l'énergie lors des réactions souvent sous forme d'énergie thermique, qui se transforme en chaleur et peut être exploitée par des moteurs thermiques pour effectuer un travail utile, comme la production d'électricité.

Malgré ces similitudes, il existe également des différences importantes. Les réactions nucléaires libèrent environ un million de fois plus d'énergie que les réactions chimiques. Cela signifie que les réactions chimiques en chaîne se produisent beaucoup plus facilement que les réactions nucléaires. Par exemple, le feu est une réaction chimique en chaîne. Les réactions nucléaires en chaîne nécessitent une ingénierie minutieuse, et, pour autant que nous le sachions, une réaction nucléaire en chaîne naturelle ne s'est produite qu'une seule fois.[1] Les réactions nucléaires en chaîne nécessitent une abondance de planification prudente. Lorsqu'ils se produisent, il y a beaucoup plus d'énergie disponible, ce qui donne au nucléaire une densité énergétique beaucoup plus élevée pour son combustible.

Pour entretenir une réaction nucléaire en chaîne, chaque événement de fission doit conduire à exactement un autre événement de fission. L'espèce nucléaire la plus pratique à utiliser pour les réactions nucléaires en chaîne est un isotopefissile d'uranium, le 235U. Lorsque le 235U subit une fission, il libère, en moyenne, ~2.5 neutrons par événement de fission. Une ingénierie minutieuse doit être mise en œuvre pour que ces neutrons continuent à créer d'autres événements de fission. Contrairement à ce que l'on pourrait croire, il est plus difficile d'obtenir un nombre suffisant de neutrons pour réaliser une réaction nucléaire soutenue plutôt que de créer trop de réactions nucléaires. Si chaque événement de fission entraîne exactement un autre événement de fission, la réaction nucléaire en chaîne est dite critique. La figure 2 présente un schéma simplifié de la réaction de la fission en chaîne.

Figure 2. Une réaction en chaîne de fission nucléaire d'atomes d'uranium 235.[2] Dans un vrai réacteur nucléaire, la plupart des neutrons libérés sont perdus au lieu de provoquer un nouvel événement de fission.

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Références

  1. Pour autant que nous le sachions ! Bien qu'il semble peu probable que cela se soit produit plus d'une fois.
  2. HyperPhysics. (May 27, 2015). Uranium-235 Chain Reaction [Online]. Available: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nucene/u235chn.html

Auteurs et rédacteurs

Ethan Boechler, Paul Frey, Anna Pletnyova, Luisa Vargas Suarez, Jason Donev
Dernière mise à jour : 17 octobre, 2021
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