lundi , octobre 19 2020

La fission nucléaire et la réaction en chaîne

1.              Fission nucléaire

La fission nucléaire est l’éclatement d’un noyau instable en deux noyaux plus légers et quelques particules élémentaires. Cet éclatement s’accompagne d’un dégagement de chaleur, c’est à dire d’énergie.


Le principe de la réaction en chaîne avec la fission d’un noyau d’uranium 235 absorbant un neutron. Le noyau fissionne en deux noyaux plus légers en donnant de deux à trois neutrons selon la nature des noyaux légers produits. © Université du Maine La fission spontanée existe mais elle est très rare.
Fission nucléaire

Le seul élément naturellement fissile est l’uranium 235. Sous l’impact d’un neutron, le noyau se trouve déséquilibré et se transforme en deux noyaux plus légers mais toujours instables appelés produits de fission. Au moment du choc avec le neutron, ces produits de fission sont éjectés à grande vitesse.
Les noyaux issus de fission sont dans la plupart des cas radioactifs mais leur période est assez courte. La fission dégage une énergie gigantesque. 1 gramme d’uranium 235 libère ainsi autant d’énergie que la combustion de plusieurs tonnes de charbon. Les neutrons libérés par la fission ont une très grande énergie.
Si on parvient à les ralentir convenablement, ils peuvent induire de nouvelles fissions et la réaction continue et s’accélère. Dans les réacteurs nucléaires, la réaction s’auto-entretient. Mais, si on laisse augmenter le nombre de neutrons présents, la réaction peut devenir explosive, c’est le cas de la bombe atomique (bombe A).
Le principe de la réaction en chaîne avec la fission d’un noyau d’uranium 235 absorbant un neutron. Le noyau fissionne en deux noyaux plus légers en donnant de deux à trois neutrons selon la nature des noyaux légers produits. © Université du Maine La fission spontanée existe mais elle est très rare. Le seul élément naturellement fissile est l’uranium 235.
 Sous l’impact d’un neutron, le noyau se trouve déséquilibré et se transforme en deux noyaux plus légers mais toujours instables appelés produits de fission. Au moment du choc avec le neutron, ces produits de fission sont éjectés à grande vitesse. Les noyaux issus de fission sont dans la plupart des cas radioactifs mais leur période est assez courte.
La fission dégage une énergie gigantesque. 1 gramme d’uranium 235 libère ainsi autant d’énergie que la combustion de plusieurs tonnes de charbon. Les neutrons libérés par la fission ont une très grande énergie. Si on parvient à les ralentir convenablement, ils peuvent induire de nouvelles fissions et la réaction continue et s’accélère. Dans les réacteurs nucléaires, la réaction s’auto-entretient. Mais, si on laisse augmenter le nombre de neutrons présents, la réaction peut devenir explosive, c’est le cas de la bombe atomique (bombe A).

2.               La réaction en chaîne

 

D’un noyau individuel à une action en masse …

Deux à trois neutrons accompagnent en moyenne les produits de fission. Si un de ces neutrons secondaires est absorbé par un noyau fissile, il peut y déclencher une seconde fission, source de nouveaux neutrons. C’est le principe de la réaction en chaîne.


Principe de la réaction en chaîne
A la suite de la capture d’un neutron, un noyau fissile d’uranium-235 ou de plutonium-239 a subi une fission. Plusieurs neutrons accompagnent les produits de fission. Dans l’exemple, 2 des 3 neutrons secondaires provoquent 2 nouvelles fissions, qui génèrent 2 neutrons de seconde génération, qui déclenchent à leur tour 4 fissions tertiaires. La réaction en chaîne prend un tour explosif, ce qui arrive dans une bombe atomique où la proportion de noyaux fissiles est très élevée. Dans le cœur d’un réacteur où les noyaux fissiles ne dépassent pas 4 % et où beaucoup de neutrons se perdent en route, le nombre de neutrons entretenant la fission est exactement 1 et la réaction en chaîne s’entretient sans se développer. 
GSI

Le plutonium-239 est le noyau qui produit le plus de neutrons secondaires : 2,91 en moyenne par fission. L’uranium-235 en produit 2,47 et l’uranium-233 2,55. Le nombre de neutrons disponibles pour de nouvelles fissions dépend de l’abondance des noyaux fissiles et des pertes dues aux neutrons qui quittent le cœur du réacteur ou sont piégés par d’autres noyaux. 

Quand le nombre de neutrons « relayeurs » devient supérieur à un, une réaction en chaîne se développe d’une manière explosive. La fission ne concerne plus des noyaux individuels mais une fraction importante de la matière fissile. Les énergies mises en jeu dans les phénomènes nucléaires étant des dizaines de millions de fois celles des phénomènes chimiques, l’explosion dégage une énergie énorme à l’échelle humaine.


La fission nucléaire et la réaction en chaîne



La fission nucléaire et la réaction en chaîne
Bilan des neutrons dans un réacteur REP

Il faut donc maîtriser la capture des neutrons pour contrôler « à petit feu » la réaction dans les réacteurs nucléaires. Le fonctionnement d’un réacteur utilisant l’uranium naturel est délicat, car ce dernier ne contient qu’une faible proportion – 0,70 % – d’uranium-235 fissile. On a généralement recours à des procédés de séparation isotopique pour enrichir la proportion d’uranium-235 de 0,70 % à 3,5 %. Ceci permet de l’utiliser dans des réacteurs à eau pressurisée qui sont les plus répandus à l’heure actuelle.

Ces derniers fonctionnent avec un uranium enrichi à 3,5 % en U-235 fissile. Pour que la réaction en chaîne puisse être entretenue, il faut éviter que la perte de neutrons soit importante dans les 97 % d’uranium non fissile restants et les matériaux constituant ou entourant le cœur du réacteur. Il faut surtout ralentir les neutrons jusqu’à une très faible énergie, pour que la proportion des neutrons qui fissionnent l’uranium-235 soit la plus favorable (cf. note) A cet effet, les matières fissiles sont mises en présence d’un milieu ralentisseur (eau ou graphite), appelé « modérateur ».

Grâce au modérateur, on a la possibilité de disposer par fission d’un peu plus d’un neutron susceptible de donner une seconde fission. Afin d’éviter que la réaction ne diverge d’une manière explosive, le réacteur est conçu pour que la « criticité » (proportion de neutrons entretenant la réaction en chaîne) reste exactement égale à 1. Par exemple les réacteurs REP sont conçus pour qu’une excursion de la criticité au dessus de la valeur 1, qui pourrait prendre un tour dangereux, soit immédiatement et naturellement corrigée. 


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