Fission nucléaire

Figure 1. Un modèle d'une réaction de fission de l'uranium 235. Note that this is just one of the many possible fission reactions.

La fission nucléaire est le processus de séparation des noyaux (généralement de gros noyaux). La fission de gros noyaux, tels que celui de l'uranium-235, libère de l'énergie. Tant d'énergie est libérée qu'il y a une diminution mesurable de la masse, à partir de l'équivalence masse-énergie. Cela signifie qu'une partie de la masse est convertie en énergie. La quantité de masse perdue dans le processus de fission vaut environ 3,20×10 ^-11 J d'énergie. Ce processus de fission se produit généralement lorsqu'un gros noyau, qui est relativement instable (ce qui signifie qu'il existe un certain niveau de déséquilibre dans le noyau entre la force de Coulomb et la force nucléaire forte), est frappé par un neutron thermique à faible énergie. En plus de créer de plus petits noyaux, la fission libère également des neutrons.

Enrico Fermi a divisé les noyaux d'uranium pour la première fois en 1934. Il croyait que certains éléments pouvaient être créés en bombardant l'uranium de neutrons. Même s'il s'attendait à ce que les nouveaux noyaux aient des numéros atomiques plus grands que l'uranium d'origine, il a découvert que les noyaux formés étaient des radioisotopes d'éléments plus légers. Ces résultats ont été correctement interprétés par Lise Meitner et Otto Frisch pendant les vacances de Noël. Pour lire cette charmante histoire de la science nucléaire, veuillez consulter cet article.

D'où vient l'énergie?

L'énergie énorme qui est libérée lors de cette division vient de la force avec laquelle les protons se repoussent avec la force de Coulomb, à peine tenus ensemble par la force forte. Chaque proton pousse un autre proton avec environ 20 N de force, environ la force d'une main posée sur les genoux d'une personne. C'est une force incroyablement énorme pour ces petites particules. Cette force énorme sur une petite distance conduit à une quantité d'énergie libérée, suffisamment grande pour provoquer une réduction mesurable de la masse. Cela signifie que la masse totale de chacun des fragments de fission est inférieure à la masse du noyau de départ. Cette masse manquante est connue sous le nom de « défaut de masse ».

Il convient de parler de la quantité d'énergie qui lie les noyaux ensemble. Tous les noyaux possèdent cette énergie de liaison, sauf l'hydrogène (qui n'a qu'un proton et ne possède pas de neutrons). L'énergie de liaison disponible pour chaque nucléon représente ce qu'on appelle l'énergie de liaison par nucléon. Il s'agit essentiellement de la quantité d'énergie requise par nucléon pour séparer le noyau. Les produits de la fission sont plus stables, ce qui signifie qu'il est plus difficile de les séparer. Comme l'énergie de liaison par nucléon est plus élevée pour les produits de fission, leur masse nucléon totale est plus faible. Le résultat de l'énergie de liaison plus élevée et de la masse plus faible est la production d'énergie. En fait, le défaut de masse et l'énergie de liaison nucléaire sont des termes interchangeables.

Utilisation dans la production d'énergie

La fission d'éléments plus lourds est une réaction exothermique. La fission peut libérer jusqu'à 200 millions d'eV. Par comparaison, la combustion du charbon ne donne que quelques eV. À partir de ce seul chiffre, il est clair pourquoi la fission nucléaire est utilisée pour la production d'électricité. De plus, la quantité d'énergie libérée est beaucoup plus efficace par masse que celle du charbon. La raison principale pour laquelle la fission nucléaire est utilisée pour la production d'électricité réside dans le fait qu'avec une modération appropriée et l'utilisation de barres de contrôle, les neutrons libres éjectés de la réaction de fission peuvent ensuite continuer à réagir à nouveau avec le combustible. Cela crée alors une réaction nucléaire en chaîne soutenue, qui libère des quantités d'énergie en continu. L'un des inconvénients de l'utilisation de la fission comme méthode de production d'électricité, c'est que les noyaux filles qui en résultent sont radioactifs. Vous trouverez ci-dessous une simulation montrant comment les neutrons dans un réacteur entraînent des événements de fission à l'intérieur d'une grappe de combustible. Dans la simulation, un éclair rouge à l'intérieur du crayon combustible signifie qu'un événement de fission s'est produit, tandis qu'un éclair bleu indique l'absorption de neutrons.

Lorsque la fission nucléaire est utilisée pour produire de l'électricité, elle est appelée énergie nucléaire. Dans ce cas, l'uranium 235 est utilisé comme combustible nucléaire et sa fission est déclenchée par l'absorption d'un neutron thermique lent. D'autres isotopes qui peuvent être induits à la fission comme celui-ci sont le plutonium-239, l'uranium-233 et le thorium-232. Pour les éléments plus légers que le fer sur le tableau périodique, c'est la fusion nucléaire plutôt que la fission nucléaire qui donne de l'énergie. Cependant, il n'existe actuellement aucune méthode qui nous permette d'accéder à l'énergie que la fusion pourrait produire.