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Analyse des transformations nucléaires…

Par Yann le 12/03/2018 Ressources > Physique-Chimie > Première S > Physique nucléaire > La Fission et la Fusion Nucléaire

Les réactions nucléaires sont comme leur nom l’indique des réactions faisant intervenir les noyaux de certains atomes.

Lorsque les noyaux de ces atomes réagissent ensemble, cela provoque un important dégagement d’énergie.

Les scientifiques ont parfaitement compris l’intérêt qu’ils pouvaient avoir à capter cette énergie : dompter les grandes quantité d’énergie résultant des réactions nucléaires est l’objectif poursuivi dans la construction des centrales nucléaires par exemple.

Il existe deux manières différentes d’obtenir de grandes quantités d’énergie en manipulant les noyaux d’un ou de plusieurs atomes :

  1. La première consiste à diviser des noyaux d’un atome et permet de libérer beaucoup d’énergie. C’est la fission nucléaire.
  2. La seconde consiste à unir des noyaux d’atomes différents. On parle alors de fusion nucléaire.

La fission nucléaire

Définition de la fission nucléaire

La fission est une transformation nucléaire au cours de laquelle un noyau d’atome dit « fissible » se divise en deux noyaux plus petits.

Dans le domaine de l’énergie nucléaire, on nomme fission nucléaire la division du noyau d’un atome. Ce noyau se transforme en plusieurs fragments dont la masse est quasiment égale à la moitié de la masse initiale du noyau.

Le différentiel de masse entre l’état du noyau précédent la réaction et l’état des noyaux résultant de celle-ci est aussi appelé manque de masse.

 

Que signifie la formule d'Einstein E=mc² ? Einstein a prouvé avec sa célèbre formule le dégagement important d’énergie des réactions nucléaires

Ce manque de masse représente aux alentour de 0,1% de la masse initiale du noyau.

Albert Einstein a démontré qu’un très faible manque de masse se transformait en une quantité très importante d’énergie.

On l’exprime avec sa fameuse équation :

    \[E = mc^2\]

Dans cette équation :

  • E correspond á l’énergie obtenue
  • m est la masse manquante
  • c est une constante : c’est la vitesse de la lumière, soit environ 300 000 000 m/s (mètre par seconde)

Avec cette équation on comprend que l’énergie provoquée par la fission nucléaire est extrême puisqu’elle est directement déduite du carré de la vitesse de la lumière.

Comment provoquer la fission nucléaire ?

La fission induite

La fission nucléaire peut se produire lorsque le noyau d’un atome lourd capture un neutron. C’est ce qu’on appelle la fission induite.

La fission est une transformation provoquée et nécessite un apport d’énergie important pour se réaliser.

Cet apport d’énergie se fait en général sous la forme d’un neutron qui est projeté à grande vitesse c’est-à-dire avec une énergie cinétique élevée, sur le noyau d’un atome.

La fission induite la plus couramment utilisée est la fission de l’uranium 235, de l’uranium 238 et du plutonium 239.

Lors de la fission, des neutrons dit “rapides” sont immédiatement émis. Le résultat d’une fission induite par un neutron est très dépendant de l’énergie de ce dernier. C’est pourquoi une centaine de nucléides différents peuvent être émis suite à la fission de l’uranium.

Il résulte une importante énergie thermique issue de l’énergie cinétique des fragments et des particules émises à la suite d’une fission.

Quelle réaction permet de produire de l'énergie dans une centrale nucléaire ? Les centrales nucléaires utilisent une réaction en chaîne contrôlée de fission nucléaire.

En effet, les particules émises après fission sont projetées à grande vitesse, ce qui provoque de multiples collisions et interactions avec les atomes de la matière traversée.

C’est cette technique qui est utilisée pour produire de l’électricité dans les réacteurs nucléaire.

La fission spontanée

On parle de fission nucléaire spontanée lorsque le noyau se désintègre en plusieurs morceaux sans absorption préalable d’une particule.

La fission spontanée n’est possible que parce que des isotopes sont instables. On le constate notamment pour les noyaux très lourds.

En effet, l’énergie de liaison par nucléon, c’est-à-dire l’énergie qu’il faut fournir à un noyau au repos pour le dissocier en nucléons isolés et immobiles, est plus petite que pour les noyaux moins lourds issus de la fission spontanée.

Bien entendu, et de la même manière que pour la fission induite, les produits de fission sont radioactifs.

Le contrôle de la fission nucléaire : la réaction en chaîne

La fission s’accompagne en général aussi de la formation de neutrons de grande énergie qui peuvent à leur tour aller percuter d’autres noyaux et provoquer d’autres fissions : le phénomène peut ainsi se poursuivre et donner une « réaction en chaîne ».

Notion de réaction en chaîne

Une réaction en chaîne est le processus par lequel les neutrons libérés lors de la première fission nucléaire produisent une fission supplémentaire dans, au minimum un autre noyau. Le noyau généré produit à son tour des neutrons qui vont eux aussi conduire à la fission nucléaire : le processus se répète.

Ces réactions en chaîne peuvent être contrôlées ou non.

D’une part les réactions contrôlées sont les réactions nucléaires dans lesquelles on fait intervenir des matériaux ou des substances permettant de modérer et de ralentir les neutrons (c’est le cas de l’eau par exemple).

On utilise les réactions de fission induite contrôlées dans les centrales nucléaires qui ont l’objectif de produire de l’énergie nucléaire constamment.

 

Quel mécanisme physique permet d'expliquer le fonctionnement de la bombe nucléaire ? Ces terribles explosions tirent leur énergie dévastatrice d’une réaction de fission nucléaire non contrôlée.

D’autre part, les réactions nucléaires non contrôlées, sont utilisées dans le cas des armes nucléaires.
En effet, si pour chaque fission provoquée par un neutron, deux neutrons sont libérés, le nombre de fissions double alors à chaque génération.

Dans ce cas, il y a 1024 fissions toutes les 10 générations et 6.1023 fissions toutes les 80 générations environ.

C’est cet effet démultiplicateur de la réaction de fission induite non contrôlée qui est recherché dans la fabrication des bombes nucléaires.

Notion de masse critique

La masse critique est la quantité minimum de matériel fissible nécessaire pour que la réaction nucléaire en chaîne se poursuive.

Bien que pour chaque fission nucléaire deux ou trois neutrons se génèrent, ceux-ci ne sont pas tous disponibles pour continuer la réaction de fission. En effet, certains se perdent.

Si les neutrons libérés par chaque réaction nucléaire se perdent à un rythme plus rapide que ceux qui se forment par la fission, la réaction en chaîne va s’essouffler et peut s’arrêter.

La quantité de masse critique de matière fissible dépend de divers facteurs : des propriétés physiques, des propriétés nucléaires, de leur géométrie et de leur pureté.

La forme géométrique optimale pour confiner le matériel fissible est la sphère. En effet, une sphère a la superficie minimum possible pour une masse donnée et réduit donc au minimum la fuite des neutrons.

Si la matière fissible est de plus contournée par un réflecteur, il est possible de perdre beaucoup moins de neutrons et la masse critique est ainsi considérablement réduite.

La fusion nucléaire

Définition de la fusion nucléaire

La fusion nucléaire est une transformation nucléaire dans laquelle deux noyaux d’atomes légers s’associent pour former un unique noyau plus lourd.

  • Les atomes souvent impliqués dans le mécanisme de fusion sont en général l’hydrogène et ses isotopes, le deutérium ou le tritium.
  • Le deutérium et le tritium sont des atomes très légers et n’ont qu’un seul proton. En revanche, leur nombre de neutrons diffère.

Dans un état d’agitation thermique intense, leurs noyaux peuvent fusionner en des noyaux uniques d’hélium. Cette fusion de ces deux isotopes de l’hydrogène mène à un niveau d’énergie finale plus faible : en effet l’atome d’hélium est parfaitement stable. Par conséquent, la réaction de fusion libère une importante quantité d’énergie.

Les réactions de fusion nucléaire peuvent soit émettre, soit absorber de l’énergie. Ainsi, si la fusion fait intervenir des noyaux dont la masse est inférieure à celle du fer, alors de l’énergie est libérée. A l’inverse, si la fusion fait intervenir des noyaux plus lourds que le noyau de l’atome de fer, alors la réaction nucléaire absorbe de l’énergie.

La fusion nucléaire à l’état naturel

Le phénomène de fusion nucléaire peut-être observé au sein des étoiles dans lesquelles une énergie colossale est libérée. Elle se distingue de la fission nucléaire car dans cette dernière, un atome lourd se scinde en deux atomes plus légers avec certes, un dégagement d’énergie, mais nettement inférieur.

La fusion nucléaire ne peut avoir lieu que dans des conditions de température et de pression particulières.

Au cœur du Soleil, la pression est si importante qu’elle avoisine 200 milliards de fois la pression atmosphérique terrestre et la température estimée du centre du Soleil serait d’environ 15 millions de degrés. Dans ces conditions, les noyaux légers d’hydrogène qui composent 75% du Soleil fusionnent en noyaux d’hélium approximativement deux fois plus lourds.

Ainsi et selon certains scientifiques, au sein du Soleil, chaque seconde, environ 620 millions de tonnes d’hydrogène se transforment en environ 616 millions de tonnes d’hélium.

En conclusion, ces réactions multiples de fusion nucléaire sont à l’origine de la lumière et la chaleur que nous recevons.

Quelles sont les conditions nécessaires pour une fusion ?

La fusion est également une transformation nucléaire provoquée.

Elle peut s’opérer sur des noyaux de petite taille tels que ceux de l’hydrogène ou de l’hélium qui sont projetés l’un sur l’autre avec une très grande énergie.

Pour réaliser des réactions de fusion nucléaire, il est nécessaire de respecter certaines conditions :

  • Une température très élevée afin de séparer le ou les électrons du noyau.
  • La masse gazeuse composée pour les électrons libres et les atomes fortement ionisé est appelé plasma.
  • Le confinement est également nécessaire pour maintenir le plasma à une température élevée pendant un temps minimum.
  • Une densité du plasma suffisante pour que les noyaux soient proches les uns des autres et puissent générer les réactions de fusion nucléaire.

Le contrôle de la fusion nucléaire par confinement

Le réacteur à confinement inertiel

Le principe de ces réacteurs est d’enfermer un mélange deutérium-tritium dans des micro-billes. Celles-ci sont ensuite soumises à des conditions de très haute pression et température pendant un temps extrêmement court.

Pour cela, des lasers très puissants sont utilisés.

La conséquence de ces conditions extrêmes est l’obtention d’une micro-explosion thermonucléaire. Elle produit une impulsion hyper-puissante de l’ordre du térawatt sur un laps de temps très court, environ 10 picosecondes.

Le réacteur à confinement magnétique

L’idée de ce type d’équipement aussi appelés tokamaks est d’utiliser un champ magnétique intense, généré par des bobines placées autour d’une chambre ainsi qu’un courant électrique.

Ces conditions permettent de confiner le plasma renfermant un mélange de deutérium et de tritium sans avoir à utiliser de matériaux qui ne supporteraient pas les températures extrêmes auxquelles sont portés les noyaux des atomes, environ 100 millions de degrés.

La fusion commence dès que la température, la densité et le temps d’isolation thermique du mélange atteignent les seuils critiques d’ignition.

Plusieurs prototypes de tokamak sont en cours de construction dans le monde. Parmi ceux-ci, il faut noter l’installation Tore Supra sur le site de Cadarache dans le Bouches-du-Rhône en France. Un autre réacteur du même type, ITER, est également en construction sur ce site.

Ces deux méthodes de confinement ont permis d’obtenir de brèves réactions de fusion nucléaires. Cela dit, elles nécessitent pour le moment tellement d’énergie que l’énergie créée par les réactions de fusion nucléaires ne suffisent pour le moment pas à en couvrir les besoins.

Les recherches actuelles se concentrent par conséquent sur l’augmentation et à l’optimisation de ces processus de fusion.

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