Fission et Fusion

Réactions de fission nucléaire

Certains atomes lourds sont instables et ils maintiennent leur stabilité en émettant des particules radioactives telles que des particules alpha et bêta. Ce processus se produit de manière spontanée et aléatoire. Les gros noyaux peuvent également devenir plus stables en se divisant en deux noyaux plus petits. Ce processus est connu sous le nom de fission nucléaire et n'est pas aléatoire. Il faut qu'un neutron entre en collision avec le noyau lourd pour que la scission se produise. Une fois que le neutron est entré en collision avec le noyau, celui-ci devient instable. Le noyau se divise alors en deux noyaux plus petits, de taille similaire, et libère deux ou trois neutrons au cours du processus, ainsi que de grandes quantités d'énergie sous forme de rayons gamma. Les noyaux plus petits, appelés produits de fission, sont généralement aussi instables et peuvent libérer des particules alpha ou bêta pour atteindre la stabilité. Une partie de l'énergie libérée est sous forme d'énergie cinétique des produits de fission. L'exemple ci-dessous montre comment se produit la fission.

Diagramme de fission nucléaire

Les neutrons en mouvement sont responsables de la fission et les produits de la fission comprennent des neutrons dotés d'énergie cinétique. Ces neutrons produits peuvent ensuite être utilisés pour provoquer d'autres fissions nucléaires. Ce processus est appelé réaction nucléaire en chaîne. Dans l'exemple ci-dessus, l'uranium 235 subit une fission pour former du baryum 139 et du krypton 95, ainsi que deux neutrons. Ces deux neutrons peuvent provoquer la fission de deux autres noyaux d'uranium, produisant quatre neutrons qui peuvent provoquer quatre fissions. Le nombre de fissions augmentera donc de façon exponentielle avec le temps. C'est ce qu'on appelle une réaction en chaîne incontrôlée, qui peut libérer une énorme quantité d'énergie en peu de temps. C'est ce principe qui a été utilisé pour fabriquer la bombe atomique. Une petite quantité d'uranium subissant une fission a le potentiel de détruire une ville entière.

Si nous pouvions contrôler le nombre de neutrons produits utilisés pour déclencher d'autres fissions, nous pourrions contrôler la quantité totale d'énergie libérée. Si un seul neutron produit est utilisé pour provoquer la fission d'un noyau, la réaction en chaîne est contrôlée. C'est ainsi que l'on crée des réacteurs à fission nucléaire en utilisant de l'uranium. Le diagramme de fission ci-dessous montre la réaction en chaîne incontrôlée qui se produirait lors de la fission de l'uranium 236.

L'uranium 236 subit une fission pour produire du baryum-144 et du krypton-89. Les deux neutrons produits sont ensuite utilisés pour provoquer la fission de deux autres noyaux d'uranium 236. Le processus se poursuit dans une réaction en chaîne incontrôlée, Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0

Exemple de fission nucléaire

Il faut d'abord rappeler que le symbole de tout atome neutre$X$s'écrit de la façon suivante :

${}_Z{}^{A}X$

où le numéro atomique$Z$représente le nombre de protons dans le noyau de cet atome et le nombre de masse$A$représente le nombre de protons et de neutrons dans le noyau. Maintenant, si nous considérons l'exemple précédent de la scission de l'uranium 235 en baryum 139 et en krypton 95, nous pouvons écrire une équation pour la réaction afin de représenter l'équilibre des réactifs et des produits. C'est ce qu'on appelle une équation nucléaire et l'équation de l'exemple décrit se présente comme suit. La masse et les numéros atomiques des deux côtés d'une équation nucléaire doivent s'équilibrer pour que la réaction nucléaire se produise. Note que cette équation contient une flèche orientée vers la droite plutôt que le symbole d'égalité.

${}_0{}^1\mathrm{n}+{}_{92}{}^{235}\mathrm{U}\to {}_{56}{}^{139}\mathrm{Ba}+{}_{36}{}^{95}\mathrm{Kr}+2{}_0{}^1\mathrm{n}$

Les réactifs se trouvent à gauche de cette flèche et les produits à droite. Les numéros atomiques et les nombres de masse de chaque côté de cette équation s'équilibrent, ce qui signifie que la fission peut effectivement se produire de cette manière. L'exemple ci-dessous montre comment une autre équation nucléaire peut être écrite.

Réactions de fusion nucléaire

Si deux noyaux légers fusionnent, ils peuvent former un noyau plus lourd et libérer ainsi de l'énergie. C'est ce qu'on appelle la fusion nucléaire. L'interaction nécessite une quantité importante d'énergie pour se produire. La fusion nucléaire se produit dans les étoiles, comme le soleil, et constitue la principale source d'énergie. Les températures et les pressions dans les étoiles sont suffisamment élevées pour fusionner deux atomes d'hydrogène (deux protons chacun) en un noyau d'hélium (deux protons et deux neutrons). Au cours de ce processus, deux protons sont transformés en neutrons. La masse du noyau d'hélium est inférieure à la masse des atomes d'hydrogène qui ont fusionné pour le former, de sorte que le reste de la masse est libéré sous forme d'énergie après la réaction de fusion. La fusion nucléaire ne crée aucun produit radioactif, ce qui en fait un bon candidat comme source d'énergie propre pour l'avenir.

Schéma de la fusion nucléaire

Le diagramme de fusion ci-dessous représente la fusion entre deux isotopes de l'hydrogène, le deutérium${}_1{}^2\mathrm{H}$et le tritium${}_1{}^3\mathrm{H}$. Cette fusion produit de l'hélium, un neutron doté d'énergie cinétique et une quantité importante d'énergie sous forme de chaleur.

Schéma montrant la fusion de deux isotopes de l'hydrogène, le deutérium et le tritium, qui fusionnent pour former de l'hélium. Un neutron est libéré au cours du processus, ainsi qu'une quantité importante d'énergie. Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0

Exemple de fusion nucléaire

Considérons la figure ci-dessus et essayons d'écrire et d'équilibrer l'équation nucléaire de la réaction.

Différences et similitudes entre la fission et la fusion

Le tableau suivant contient quelques-unes des différences et des similitudes entre la fission et la fusion nucléaires.