La fission nucléaire
On dit qu'un noyau lourd "fissionne" s'il se fragmente, de façon spontanée ou provoquée, en deux ou plusieurs autres noyaux plus légers. Prenons l'exemple d'un noyau d'uranium 235. S'il capte un neutron lent (de faible énergie) il se brise aussitôt, donnant naissance à deux noyaux de masses plus faibles.
Ce phénomène s'explique par le fait qu'un noyau d'uranium se comporte comme une goutte de liquide; l'énergie apportée par le neutron incident déforme la goutte ; la répulsion entre les protons de même charge électrique l'emporte alors sur les forces nucléaires attractives de courte portée, entraînant la fission. Lors de ce processus, deux ou trois nouveaux neutrons sont émis et de l'énergie est libérée. Ces neutrons peuvent à leur tour briser d'autres noyaux d'uranium 235, qui donneront naissance à d'autres neutrons qui briseront d'autres noyaux qui ...
Cette multiplication alimente une réaction en chaîne, capable de provoquer la fission d'un nombre considérable de noyaux. L'énergie libérée est de l'ordre de 200 MeV (mégaélectronvolt) par fission, ce qui est énorme en comparaison des énergies dégagées par les réactions chimiques (quelques eV); elle est emportée par les noyaux fragments sous forme d'énergie cinétique. Au sein d'un réacteur nucléaire, ces fragments, immédiatement ralentis, échauffent le milieu ambiant. Cette chaleur est utilisée pour produire de la vapeur d'eau et entraîner une turbine et un alternateur. Dans les centrales nucléaires, la réaction en chaîne est contrôlée, c'est-à-dire stabilisée à un niveau donné. Dans les bombes atomiques à fission, dite « bombes A », on vise au contraire à l'amplifier.
La fission de tous les noyaux d'un kilogramme d'uranium produit autant d'énergie que la combustion de 2500 tonnes de charbon. Il est exceptionnel de disposer d'uranium 235 pur. L'uranium naturel est un mélange des isotopes 235 (0,712 %), 238 (99,282 %) et 234 (0,006 %). L'isotope d'un atome est ce même atome, mais avec un noyau plus lourd ; c'est-à-dire qu'il contient un plus grand nombre de neutrons. Dans un kilogramme d'uranium naturel, on retrouve 0,712 % d'atomes d'uranium 235, 99,282 % d'atomes d'uranium 238 et 0,006 % d'atomes d'uranium 234 ; c'est-à-dire 7,12 grammes d'uranium 235, 992,82 grammes d'uranium 238 et 0,06 gramme d'uranium 234.
Frappés par un neutron, tous les noyaux d'uranium ne fissionnent pas. Certains (surtout les uranium 238), absorbent simplement le neutron. Les absorptions successives de neutrons par l'uranium aboutissent à la transmutation de ce dernier en un nouvel atome plus lourd, le plutonium. Ce dernier (surtout le plutonium 239) peut fissionner tout comme l'uranium 235, et représente donc une ressource énergétique importante. Dans un réacteur EDF actuel, un tiers de l'énergie produite vient d'ailleurs de la fission du plutonium formé dans le cœur.
Mais ni l'uranium ni le plutonium ne brûlent en totalité : le traitement du combustible usé permet d'en extraire l'uranium et le plutonium restant dans le combustible usé et de les recycler. Or la fission de l'uranium 238 ne se produit que pour des neutrons très énergétiques, et le plus souvent l'uranium 238 absorbe sans fission le neutron qui l'a frappé pour donner ensuite deux décroissances ß du plutonium 239. Les neutrons d'énergie faible (moins de quelques électronvolts) sont peu absorbés par l'uranium 238, mais brisent facilement les noyaux d'uranium 235. Lorsqu'on ne dispose que d'uranium naturel ou d'uranium faiblement enrichi en isotopes 235, il est nécessaire, pour pouvoir entretenir une réaction en chaîne, de ralentir les neutrons au moyen d'un milieu « modérateur » sur les noyaux duquel ceux-ci perdent leur énergie par chocs successifs. Selon l'enrichissement en isotope 235, on utilise comme modérateur le deutérium de l'eau lourde, le graphite ou l'hydrogène de l'eau, très bon modérateur mais légèrement absorbant des neutrons.
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