Physique

La fission nucléaire est une réaction dans laquelle un noyau est divisé (ou fissuré). La fission contrôlée est une réalité, alors que la fusion contrôlée est un espoir pour l’avenir. Des centaines de centrales nucléaires à fission dans le monde attestent du fait que la fission contrôlée est pratique et, du moins à court terme, économique, comme le montre la figure 1. Alors que l’énergie nucléaire n’a suscité que peu d’intérêt pendant les décennies qui ont suivi TMI et Tchernobyl (et maintenant Fukushima Daiichi), les préoccupations croissantes concernant le réchauffement climatique ont ramené l’énergie nucléaire sur la table comme alternative énergétique viable. À la fin de l’année 2009, 442 réacteurs étaient en service dans 30 pays, fournissant 15 % de l’électricité mondiale. La France fournit plus de 75 % de son électricité grâce à l’énergie nucléaire, tandis que les États-Unis disposent de 104 réacteurs en activité qui fournissent 20 % de leur électricité. L’Australie et la Nouvelle-Zélande n’en ont aucun. La Chine construit des centrales nucléaires au rythme d’un démarrage par mois.

Figure 1. Les personnes qui vivent à proximité de cette centrale nucléaire n’ont aucune exposition mesurable aux radiations qui sont traçables à la centrale. Environ 16% de l’énergie électrique mondiale est produite par fission nucléaire contrôlée dans de telles centrales. Les tours de refroidissement sont les caractéristiques les plus marquantes, mais elles ne sont pas propres à l’énergie nucléaire. Le réacteur se trouve dans le petit bâtiment en forme de dôme à gauche des tours. (crédit : Kalmthouts)

La fission est l’opposé de la fusion et ne libère de l’énergie que lorsque des noyaux lourds sont divisés. Comme indiqué dans Fusion, de l’énergie est libérée si les produits d’une réaction nucléaire ont une énergie de liaison par nucléon (BE/A) supérieure à celle des noyaux parents. La figure 2 montre que BE/A est plus grande pour les noyaux de masse moyenne que pour les noyaux lourds, ce qui implique que lorsqu’un noyau lourd est fissionné, les produits ont moins de masse par nucléon, de sorte que cette masse est détruite et que de l’énergie est libérée dans la réaction. La quantité d’énergie par réaction de fission peut être importante, même selon les normes nucléaires. Le graphique de la figure 2 montre que BE/A est d’environ 7,6 MeV/nucléon pour les noyaux les plus lourds (A environ 240), tandis que BE/A est d’environ 8,6 MeV/nucléon pour les noyaux ayant A environ 120. Ainsi, si un noyau lourd se divise en deux, environ 1 MeV par nucléon, soit approximativement 240 MeV par fission, est libéré. Cela représente environ 10 fois l’énergie par réaction de fusion, et environ 100 fois l’énergie de la désintégration α, β, ou γ moyenne.

La fission spontanée peut se produire, mais ce n’est généralement pas le mode de désintégration le plus courant pour un nucléide donné. Par exemple, le 238U peut fissionner spontanément, mais il se désintègre principalement par émission α. La fission induite par les neutrons est cruciale, comme le montre la figure 2. Étant sans charge, même les neutrons de faible énergie peuvent frapper un noyau et être absorbés dès qu’ils ressentent la force nucléaire attractive. Les grands noyaux sont décrits par un modèle de goutte liquide avec des modes de tension de surface et d’oscillation, car le grand nombre de nucléons se comporte comme les atomes d’une goutte. Le neutron est attiré et donc, dépose de l’énergie, ce qui fait que le noyau se déforme comme une goutte liquide. S’il est suffisamment étiré, le noyau se rétrécit en son milieu. Le nombre de nucléons en contact et l’intensité de la force nucléaire qui lie le noyau sont réduits. La répulsion de Coulomb entre les deux extrémités parvient alors à fissionner le noyau, qui éclate comme une goutte d’eau en deux gros morceaux et quelques neutrons. La fission induite par les neutrons peut s’écrire comme

n + AX → FF1 + FF2 + xn,

où FF1 et FF2 sont les deux noyaux fils, appelés fragments de fission, et x est le nombre de neutrons produits. Le plus souvent, les masses des fragments de fission ne sont pas les mêmes. La majeure partie de l’énergie libérée va dans l’énergie cinétique des fragments de fission, le reste allant dans les neutrons et les états excités des fragments. Comme les neutrons peuvent induire la fission, une réaction en chaîne auto-entretenue est possible, à condition que plus d’un neutron soit produit en moyenne – c’est-à-dire si x>1 dans n + AX → FF1 + FF2 + xn. Ceci peut également être observé sur la figure 3. Un exemple de réaction de fission induite par neutrons typique est

n+{}_{\text{92}}^{\text{235}}\text{U}\to {}_{\text{56}}^{\text{142}}\text{Ba}+{}_{\text{36}}^{\text{91}}\text{Kr}+3\text{n}\\.

Notez que dans cette équation, la charge totale reste la même (est conservée) : 92 + 0 = 56 + 36. De même, en ce qui concerne les nombres entiers, la masse est constante : 1 + 235 = 142 + 91 + 3. Ce n’est pas vrai quand on considère les masses jusqu’à 6 ou 7 chiffres significatifs, comme dans l’exemple précédent.

Figure 2. La fission induite par les neutrons est représentée. D’abord, de l’énergie est mise dans ce gros noyau lorsqu’il absorbe un neutron. Agissant comme une goutte de liquide frappée, le noyau se déforme et commence à se rétrécir en son milieu. Comme moins de nucléons sont en contact, la force de Coulomb répulsive est capable de briser le noyau en deux parties, certains neutrons s’envolant également.

Figure 3. Une réaction en chaîne peut produire une fission auto-entretenue si chaque fission produit suffisamment de neutrons pour induire au moins une autre fission. Cela dépend de plusieurs facteurs, notamment du nombre de neutrons produits dans une fission moyenne et de la facilité à faire fissionner un type particulier de nucléide.

Tous les neutrons produits par une fission n’induisent pas une fission. Certains neutrons s’échappent de la matière fissile, d’autres interagissent avec un noyau sans le faire fissionner. On peut augmenter le nombre de fissions produites par les neutrons en ayant une grande quantité de matière fissile. La quantité minimale nécessaire à la fission auto-entretenue d’un nucléide donné est appelée sa masse critique. Certains nucléides, comme le 239Pu, produisent plus de neutrons par fission que d’autres, comme le 235U. En outre, certains nucléides sont plus faciles à faire fissionner que d’autres. En particulier, le 235U et le 239Pu, sont plus faciles à fissionner que le 238U, beaucoup plus abondant. Ces deux facteurs affectent la masse critique, qui est la plus petite pour le 239Pu.

La raison pour laquelle le 235U et le 239Pu sont plus faciles à fissionner que le 238U est que la force nucléaire est plus attractive pour un nombre pair de neutrons dans un noyau que pour un nombre impair. Considérons que {}_{\text{92}}^{\text{235}}{\text{U}}_{\text{143}}\\\\_ possède 143 neutrons, et {}_{\text{94}}^{\text{239}}{\text{P}}_{\text{145}}\\\\_ possède 145 neutrons, alors que {}_{\text{92}}^{\text{238}}{\text{U}}_{\text{146}}\\\_ possède 146 neutrons. Lorsqu’un neutron rencontre un noyau comportant un nombre impair de neutrons, la force nucléaire est plus attractive, car le neutron supplémentaire rend le nombre pair. Environ 2 MeV d’énergie supplémentaire sont déposés dans le noyau résultant par rapport à ce qui serait le cas si le nombre de neutrons était déjà pair. Cette énergie supplémentaire produit une plus grande déformation, rendant la fission plus probable. Ainsi, le 235U et le 239Pu sont des combustibles de fission supérieurs. L’isotope 235U ne représente que 0,72 % de l’uranium naturel, tandis que le 238U en représente 99,27 % et que le 239Pu n’existe pas dans la nature. L’Australie possède les plus grands gisements d’uranium au monde, soit 28 % du total. Elle est suivie par le Kazakhstan et le Canada. Les États-Unis ne possèdent que 3% des réserves mondiales.

La plupart des réacteurs à fission utilisent du 235U , qui est séparé du 238U à certains frais. C’est ce qu’on appelle l’enrichissement. La méthode de séparation la plus courante est la diffusion gazeuse d’hexafluorure d’uranium (UF6) à travers des membranes. Le 235U ayant une masse inférieure à celle du 238U, ses molécules d’UF6 ont une vitesse moyenne plus élevée à la même température et diffusent plus rapidement. Une autre caractéristique intéressante du 235U est qu’il absorbe préférentiellement les neutrons très lents (avec des énergies d’une fraction d’eV), alors que les réactions de fission produisent des neutrons rapides avec des énergies de l’ordre du MeV. Pour réaliser un réacteur de fission auto-entretenu avec du 235U , il est donc nécessaire de ralentir (« thermaliser ») les neutrons. L’eau est très efficace, puisque les neutrons entrent en collision avec les protons des molécules d’eau et perdent de l’énergie. La figure 4 montre un schéma d’une conception de réacteur, appelé réacteur à eau pressurisée.

Figure 4. Un réacteur à eau pressurisée est astucieusement conçu pour contrôler la fission de grandes quantités de 235U , tout en utilisant la chaleur produite par la réaction de fission pour créer de la vapeur afin de générer de l’énergie électrique. Les barres de contrôle ajustent le flux de neutrons de sorte que la criticité soit atteinte, mais pas dépassée. Si le réacteur surchauffe et fait bouillir l’eau, la réaction en chaîne s’arrête, car l’eau est nécessaire à la thermalisation des neutrons. Ce dispositif de sécurité inhérent peut être dépassé dans des circonstances extrêmes.

Des barres de contrôle contenant des nucléides qui absorbent très fortement les neutrons sont utilisées pour ajuster le flux de neutrons. Pour produire une grande puissance, les réacteurs contiennent des centaines ou des milliers de masses critiques, et la réaction en chaîne devient facilement auto-entretenue, une condition appelée criticité. Le flux de neutrons doit être soigneusement régulé pour éviter une augmentation exponentielle des fissions, une condition appelée supercriticité. Les barres de contrôle permettent d’éviter une surchauffe, voire une fusion ou un démantèlement explosif. L’eau qui est utilisée pour thermaliser les neutrons, nécessaire pour qu’ils induisent la fission dans le 235U et atteignent la criticité, fournit une rétroaction négative pour les augmentations de température. Si le réacteur surchauffe et transforme l’eau en vapeur ou s’il y a une brèche, l’absence d’eau tue la réaction en chaîne. Cependant, une chaleur considérable peut encore être générée par les produits de fission radioactifs du réacteur. D’autres dispositifs de sécurité, donc, doivent être incorporés en cas d’accident de perte de liquide de refroidissement, notamment de l’eau de refroidissement auxiliaire et des pompes.

Un nucléide déjà mentionné est le 239Pu, qui a une demi-vie de 24 120 ans et n’existe pas dans la nature. Le plutonium 239 est fabriqué à partir de 238U dans des réacteurs, et il offre la possibilité d’utiliser les 99% restants d’uranium naturel comme source d’énergie. La séquence de réaction suivante, appelée reproduction, produit du 239Pu. La reproduction commence par la capture de neutrons par 238U :

L’uranium-239 se désintègre ensuite en β- :

239U → 239Np + β- + ve(t1/2 = 23 min).

Le neptunium-239 se désintègre également en β- :

239Np → 239Pu + β- + ve(t1/2 = 2,4 d).

Le plutonium-239 s’accumule dans le combustible des réacteurs à un rythme qui dépend de la probabilité de capture des neutrons par le 238U (tout combustible de réacteur contient plus de 238U que de 235U). Les réacteurs conçus spécifiquement pour fabriquer du plutonium sont appelés surgénérateurs. Ils semblent être intrinsèquement plus dangereux que les réacteurs conventionnels, mais on ignore encore si leurs dangers peuvent être rendus économiquement acceptables. Les quatre réacteurs de Tchernobyl, y compris celui qui a été détruit, ont été construits pour produire du plutonium et de l’électricité. La conception de ces réacteurs était très différente de celle du réacteur à eau pressurisée illustré ci-dessus. Le plutonium 239 présente des avantages par rapport au 235U en tant que combustible de réacteur – il produit en moyenne plus de neutrons par fission, et il est plus facile pour un neutron thermique de provoquer sa fission. Il est également chimiquement différent de l’uranium, de sorte qu’il est intrinsèquement plus facile à séparer du minerai d’uranium. Cela signifie que le 239Pu a une masse critique particulièrement faible, un avantage pour les armes nucléaires.

Explorations PhET : Fission nucléaire

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Résumé de la section

• La fission nucléaire est une réaction au cours de laquelle un noyau est divisé.
• La fission libère de l’énergie lorsque les noyaux lourds sont divisés en noyaux de masse moyenne.
• La fission auto-entretenue est possible, car la fission induite par les neutrons produit également des neutrons qui peuvent induire d’autres fissions, n + AX → FF1 + FF2 + xn, où FF1 et FF2 sont les deux noyaux filles, ou fragments de fission, et x est le nombre de neutrons produits.
• Une masse minimale, appelée masse critique, doit être présente pour atteindre la criticité.
• Plus qu’une masse critique peut produire la supercriticité.
• La production d’isotopes nouveaux ou différents (notamment le 239Pu) par transformation nucléaire est appelée reproduction, et les réacteurs conçus à cet effet sont appelés surgénérateurs.