Prenez un atome lourd comme l’uranium ou le plutonium. Frappez-le avec un neutron. Regardez-le craquer.
Cette scission est la fission nucléaire. Ce n’est pas une réaction chimique. C’est quelque chose de bien plus violent et énergique. Le noyau se divise en deux fragments à peu près égaux. Pièces lourdes. Sous-produits radioactifs. Mais la véritable histoire, ce ne sont pas les débris. C’est l’énergie.
Une énorme quantité d’énergie jaillit lorsque l’atome se brise.
Ce processus est le moteur des centrales nucléaires. C’est aussi le mécanisme derrière les armes nucléaires. La différence réside dans le contrôle. On crée une réaction en chaîne incontrôlée. L’autre maintient un pouls régulier et gérable.
La mécanique de la scission
Pourquoi la division d’un atome libère-t-elle de l’énergie ? La réponse réside dans le défaut de masse.
La masse combinée des deux fragments est légèrement inférieure à celle du noyau d’origine. Cette masse manquante ne disparaît pas. Il se transforme directement en énergie. L’équation d’Albert Einstein, E=mc², explique cette conversion. Un tout petit peu de masse produit une quantité colossale d’énergie car la vitesse de la lumière au carré est un nombre très énorme.
Les fragments s’envolent. Ils transportent de l’énergie cinétique. Ils frappent les atomes environnants. La chaleur monte. La vapeur fait tourner les turbines. L’électricité circule.
Contrôler la réaction en chaîne
La fission ne se produit pas de manière isolée. Le processus de division libère souvent des neutrons supplémentaires. Ces neutrons peuvent frapper d’autres atomes d’uranium. Ces atomes se divisent. Ils libèrent davantage de neutrons.
C’est une réaction en chaîne.
Si rien n’est fait, la réaction s’accélère de façon exponentielle. C’est une bombe. Si elle est contrôlée, la réaction reste stable. C’est un réacteur.
Des barres de contrôle constituées de matériaux absorbant les neutrons comme le bore ou le cadmium sont insérées dans le noyau. Ils absorbent les neutrons en excès. Ils ralentissent la réaction. Les opérateurs ajustent ces tiges pour maintenir le niveau de puissance souhaité.
Pourquoi c’est important aujourd’hui
La fission nucléaire fournit une part importante de l’électricité mondiale à faible émission de carbone. Il fonctionne de manière fiable. Contrairement au solaire ou à l’éolien, cela ne dépend pas de la météo. Il ne produit aucune émission directe de carbone pendant son fonctionnement.
Cependant, les déchets demeurent. Les fragments radioactifs des atomes divisés restent dangereux pendant des milliers d’années. Le stockage et l’élimination constituent des défis permanents. La technologie est puissante. C’est aussi profondément complexe.
Au-delà de l’énergie
La fission ne concerne pas seulement les centrales électriques. Les isotopes médicaux sont souvent produits dans des réacteurs. Ces isotopes aident à diagnostiquer et à traiter les maladies. Les thérapies contre le cancer reposent sur des sources de rayonnement précises. Certains proviennent de sous-produits de fission.
La science est simple dans son concept. Divisez un noyau lourd. Obtenez de l’énergie. C’est dans l’application que la complexité prend le dessus. La sécurité, les déchets et la politique compliquent la situation.
La physique ne change pas. Les conséquences oui.
À mesure que la technologie progresse, de nouvelles conceptions de réacteurs visent une efficacité et une sécurité accrues. Les petits réacteurs modulaires promettent une énergie moins chère et évolutive. La recherche sur la fusion propose une voie totalement différente : combiner les atomes plutôt que les diviser. Mais la fission reste une pierre angulaire du paysage énergétique actuel.
Nous comptons sur cela. Nous le craignons. Nous le gérons.
L’atome se divise. L’énergie circule. La question n’est pas de savoir si nous pouvons le faire. Il s’agit de savoir si nous pouvons le faire judicieusement.
Comment fonctionne réellement la fission nucléaire
Cela commence par une scission. Lors de la fission nucléaire, le noyau d’un atome se brise en deux noyaux plus légers. Cela n’arrive pas seulement pour le plaisir. Parfois, cela se produit spontanément. Le plus souvent, il faut forcer le problème.
Vous pouvez provoquer la rupture en utilisant des particules comme des neutrons, des protons, des deutons ou des particules alpha. Les rayons gamma fonctionnent aussi.
Une fois ce noyau fissuré, les bénéfices sont énormes.
L’énergie est libérée en grande quantité. Des produits radioactifs se forment instantanément. Plusieurs neutrons s’envolent dans le vide.
Et voici le kicker. Ces neutrons libérés ? Ils ne s’éloignent pas simplement. Ils ont touché des noyaux de matières fissiles à proximité. Induisant la fission là-bas. Libérant encore plus de neutrons.
La séquence se répète. Une réaction en chaîne se déclenche. Les noyaux subissent une fission en masse. Une énorme quantité d’énergie explose vers l’extérieur.
Puissance contrôlée contre destruction incontrôlée
Maîtrisez cette réaction en chaîne. Faites-le dans un réacteur nucléaire. Vous obtenez le pouvoir. Une énergie propre et dense au bénéfice de la société.
Faites-le mal. Ou faites-le exprès. Comme dans une bombe atomique. Le résultat est une explosion d’une force destructrice impressionnante.
La même physique. Des résultats opposés. On nourrit les villes. Les autres les nivellent.
L’ère atomique et ses complications
La découverte de la fission nucléaire a ouvert une nouvelle ère. L’ère atomique.
Son potentiel de bien ou de mal a tout façonné. Changements sociologiques. Bouleversements politiques. Booms économiques. Des avancées scientifiques.
Cela a également suscité de graves inquiétudes. Le rapport risque/bénéfice n’est pas simple. C’est une marche constante sur la corde raide.
Même d’un point de vue purement scientifique, la fission reste complexe. Il présente des énigmes. Les explications théoriques sont incomplètes. Nous comprenons mieux la mécanique que l’image complète.
Nous savons comment diviser l’atome.
Nous sommes encore en train de déterminer ce que signifie réellement détenir ce pouvoir.
Le mot « fission » n’a été inventé qu’en 1939. Les physiciens allemands Lise Meitner et Otto Frisch ont inventé ce terme pour décrire un noyau lourd se divisant en deux noyaux plus légers de taille à peu près égale. C’est la fin d’une saga scientifique chaotique et le début d’une intense période de recherche.
La véritable histoire a commencé plus tôt. James Chadwick a découvert le neutron en Angleterre en 1932. Enrico Fermi et son équipe en Italie ont rapidement commencé à bombarder des éléments avec ces particules neutres. En 1934, ils remarquèrent quelque chose d’étrange. Le bombardement de l’uranium avec des neutrons lents a créé quatre espèces radioactives différentes. Ils émettaient des particules bêta. Les scientifiques pensaient avoir trouvé des éléments transuraniens de numéros atomiques 93, 94 ou plus.
Les radiochimistes se sont rassemblés pour étudier ces nouveaux isotopes. Les résultats étaient confus. La confusion dura jusqu’en 1939.
Otto Hahn et Fritz Strassmann en Allemagne ont prouvé définitivement que ces éléments « transuraniens » étaient en réalité du baryum, du lanthane et d’autres éléments de table mi-périodique. Ils ont suivi un indice d’Irène Joliot-Curie et Pavle Savić en France.
Ida Noddack avait suggéré en 1934 que des éléments plus légers pouvaient se former à partir de noyaux lourds. L’idée a été ignorée. Il remettait en question la physique nucléaire acceptée et manquait de preuves chimiques. Hahn et Strassmann en ont fourni la preuve.
Meitner et Frisch ont utilisé le modèle de la goutte de liquide pour expliquer le processus. Ils ont souligné la libération massive d’énergie. Les laboratoires du monde entier ont confirmé la réaction. En un an, plus de 100 articles décrivaient le processus.
Les preuves chimiques qui ont été si vitales pour conduire Hahn et Strassmann à la découverte de la fission nucléaire ont été obtenues grâce à l’application de techniques de porteurs et de traceurs.
Comment les scientifiques ont identifié les produits de fission
Les techniques chimiques étaient cruciales. Des quantités invisibles d’espèces radioactives ont été créées. Les scientifiques ont déduit leur identité en suivant la façon dont ils se déplaçaient avec des éléments porteurs connus.
Ils ont ajouté des traceurs radioactifs connus. Ils ont comparé les comportements pour identifier les inconnues. Ces méthodes radiochimiques ont depuis isolé 34 éléments de la fission. La gamme s’étend du zinc (numéro atomique 30) au gadolinium (numéro atomique 64).
La large gamme de radioactivités fait de la fission une riche source de traceurs. Ceux-ci sont utilisés dans des applications chimiques, biologiques et industrielles.
Quels isotopes provoquent la fission et pourquoi c’est important
Les premières expériences utilisaient de l’uranium ordinaire. Il a été rapidement établi que l’uranium 235 en était responsable. Il fissile avec des neutrons lents.
L’uranium 238 est plus abondant. La fission nécessite des neutrons rapides avec une énergie supérieure à 1 MeV. Les noyaux de thorium et de protactinium fissionnent également avec les neutrons rapides.
D’autres particules fonctionnent également. Les protons rapides, les deutons et les alphas induisent la réaction. Les rayons gamma sont également efficaces.
L’invention du réacteur nucléaire
En 1939, Frédéric Joliot-Curie, Hans von Halban et Lew Kowarski découvrirent que plusieurs neutrons étaient émis lors de la fission de l’uranium 235. Cela suggère une réaction en chaîne auto-entretenue.
Fermi et ses collègues ont vu le potentiel. Ils ont reconnu le pouvoir d’une réaction contrôlée. Le 2 décembre 1942, ils réussirent.
Ils exploitaient le premier réacteur nucléaire au monde. On l’appelait un « tas ». Il s’agissait de blocs d’uranium et de graphite. Il a été construit sur le campus de l’Université de Chicago.
Le projet Manhattan a suivi. C’était un effort secret. Elle a développé la bombe atomique après l’entrée des États-Unis dans la Seconde Guerre mondiale.
À la fin de la guerre, les efforts ont été réorientés. Les scientifiques ont développé de nouveaux types de réacteurs. Ils visaient la production d’électricité à grande échelle. C’est ainsi qu’est née l’industrie nucléaire.
Les principes fondamentaux du processus de fission étaient désormais clairs. La technologie était passée de la théorie à la réalité. Les implications pour l’énergie et la guerre furent immédiates. Le monde a changé d’une manière que peu de gens auraient pu prédire en 1934.
Le secret de la fission nucléaire n’est pas magique. C’est structurel. Il faut regarder comment se construit la matière nucléaire. Et comme c’est stable.
Les noyaux sont constitués de nucléons. C’est juste le mot sophistiqué pour désigner les protons et les neutrons. Le nombre total de ces particules est votre nombre de masse. Assez simple. Mais c’est ici que ça devient bizarre. La masse réelle d’un noyau est toujours inférieure à la somme de ses parties. Si vous preniez tous ces neutrons et protons libres et les pesiez séparément, ils pèseraient plus que le noyau qu’ils ont créé.
La différence entre ces deux poids est le défaut de masse. Et cette masse manquante ? Cela n’a pas disparu. Cela s’est transformé en énergie.
L’équation d’Einstein explique cela. E = mc 2. L’énergie est égale à la masse multipliée par la vitesse de la lumière au carré. C’est un taux de conversion énorme. Ce défaut de masse est une mesure directe de l’énergie de liaison. C’est essentiellement la colle qui maintient le noyau ensemble.
Pensez-y de cette façon. Lorsqu’un noyau se forme, il libère de l’énergie. Vous devez réinvestir la même quantité d’énergie pour le briser. Pour le décomposer en nucléons individuels. Plus l’énergie de liaison est élevée, plus le noyau est stable. Plus il est difficile de se séparer.
“La différence est connue sous le nom de défaut de masse et constitue une mesure de l’énergie de liaison totale (et donc de la stabilité) du noyau.”
Cette stabilité est importante. Parce que si le noyau est instable, il risque de se diviser. Fission. S’il est stable, il reste là. En attendant.
L’énergie libérée lors de la formation est la même énergie dont vous auriez besoin pour la détruire. C’est une boucle fermée. Un joint étanche. La masse devient énergie. L’énergie maintient la masse ensemble. Et c’est pourquoi certains atomes se divisent facilement tandis que d’autres restent tranquilles pendant des milliards d’années.
Regardez la courbe de l’énergie de liaison moyenne par nucléon. C’est une forme familière en physique, culminant juste autour du numéro de masse 56. C’est le point idéal. C’est du fer.
Le graphique raconte une histoire simple sur la stabilité. Le fer se trouve au sommet de la colline. Si vous avez un noyau plus lourd que le fer, il veut se diviser. Il veut se diviser en morceaux plus légers qui se situent plus bas sur la pente énergétique. La différence d’énergie de liaison ne disparaît pas simplement. Il est libéré. C’est la fission.
Si vous avez quelque chose de plus léger que le fer, le chemin est différent. Ces noyaux peuvent gagner en stabilité en s’entrechoquant. Ils fusionnent en un noyau plus lourd présentant un défaut de masse plus important. La différence de masse se transforme en énergie. C’est la fusion. C’est le moteur du soleil. C’est la base de la bombe à hydrogène. C’est également le Saint Graal de la production d’énergie propre, un domaine qui a fait l’objet de décennies de recherches actives, souvent frustrantes.
La barrière contre la dégradation spontanée
C’est ici que le modèle énergétique simple s’effondre.
Si les considérations énergétiques étaient le seul facteur à prendre en compte, toute la matière finirait par s’effondrer en fer. Tout chercherait cette configuration la plus stable. Mais cela n’arrive pas. L’univers n’est pas si paresseux ni si efficace.
Il y a des barrières. D’autres facteurs arrêtent la conversion spontanée.
Pour comprendre pourquoi, les physiciens traitent le noyau comme une goutte de liquide chargée. C’est une analogie qualitative, mais elle tient la route. La force nucléaire puissante lie les nucléons entre eux. C’est attrayant. C’est puissant. Mais c’est à courte portée. Cela ne fonctionne qu’entre voisins les plus proches.
Les nucléons en surface ont moins de voisins que ceux enfouis à l’intérieur. Cela crée une tension superficielle. La goutte veut minimiser sa surface pour réduire l’énergie. La forme la plus efficace pour enfermer un volume est une sphère. Le noyau prend donc une forme sphérique.
Le problème de la répulsion coulombienne
Les protons ne respectent pas les mêmes règles à courte portée. Ils sont chargés positivement. Ils se repoussent via la force coulombienne à longue portée.
À mesure que le noyau grossit, cette répulsion devient un problème sérieux. Une fois que vous dépassez un nombre de nucléons d’environ 40, la force attractive de l’interaction forte lutte pour maintenir le tout collé contre la poussée électrique.
La solution ? Dilution.
Les noyaux plus lourds maintiennent une relative stabilité en ajoutant un excès de neutrons. Les neutrons s’ajoutent à la forte force d’attraction sans ajouter à la répulsion coulombienne. Ils agissent comme de la colle, diluant la densité protonique. Vous avez besoin de plus en plus de neutrons à mesure que le nombre de masse augmente pour empêcher la goutte de se séparer.
Cet équilibre délicat définit les limites du tableau périodique. Cela explique pourquoi certains éléments sont stables et d’autres se désintègrent. Cela explique pourquoi nous ne pouvons pas laisser l’univers se transformer en un tas de boules de fer. Les barrières sont réelles. La physique est complexe. Et l’énergie enfermée dans ces lourdes gouttes riches en neutrons ? J’attends toujours d’être débloqué.
Lorsqu’un noyau est excité, il commence à bouger. Cela cesse d’être une sphère parfaite.
Les forces de surface interviennent immédiatement. Ils veulent redonner au noyau une forme ronde, car une sphère minimise la tension superficielle. Mais il existe une force contraire. Les protons à l’intérieur se repoussent. À mesure que le noyau s’étire, ces protons s’éloignent les uns des autres. La répulsion chute.
Ces deux tendances opposées créent un problème. Une barrière.
La figure 2 le montre clairement. La courbe énergétique grimpe dans un premier temps. Pourquoi? Parce que la force nucléaire puissante – la colle qui maintient le noyau ensemble – est puissante et à courte portée. Il combat la déformation.
Mais la répulsion coulombienne entre les protons s’affaiblit plus vite que la tension superficielle n’augmente. Finalement, ils se retrouvent dans une impasse.
C’est le point B.
Cet endroit spécifique est connu sous le nom de « point de selle ».
Sur une carte tridimensionnelle de l’énergie potentielle, ce pic ressemble à une selle de cheval. C’est le point de résistance le plus élevé avant que le noyau ne s’engage dans la division. Si vous n’avez pas assez d’énergie pour surmonter cette selle, rien ne se passe.
Au-delà du point B, les règles changent. La répulsion coulombienne prend le volant. Cela entraîne un allongement supplémentaire du noyau. Les protons poussent plus fort que la tension superficielle ne peut le supporter. Le noyau s’étire jusqu’à se briser.
C’est le point S, le point de scission. Le noyau se brise en deux. Qualitativement, la fission n’est que le résultat du refus des protons de rester proches.
Fission induite
Tous les noyaux ne se divisent pas d’eux-mêmes. La hauteur de cette barrière énergétique dépend entièrement du noyau que vous regardez.
Pour forcer la fission, il faut exciter le noyau. Vous devez le frapper avec suffisamment d’énergie pour franchir la barrière. Vous pouvez le faire avec des rayons gamma (photofission) ou en y écrasant une particule. Neutrons, protons, tout ce qui fonctionne.
C’est ici que la nature impaire-pair des neutrons compte. Cela change l’énergie de liaison.
Si vous ajoutez un neutron à un noyau qui possède déjà un nombre impair de neutrons, vous obtenez un nombre pair. Ce couple est stable. L’énergie de liaison augmente.
Si vous ajoutez un neutron à un noyau à neutrons pairs, vous obtenez un nombre impair. Le gain d’énergie de liaison est plus faible.
Cette différence explique pourquoi certains matériaux se divisent avec des neutrons lents tandis que d’autres nécessitent des neutrons rapides.
La plupart des éléments lourds sont instables en termes de fission, mais ils se trouvent dans un trou profond. Ils ont besoin d’un coup de pied pour sortir.
- Uranium-233, Uranium-235, Plutonium-239 : Ceux-ci ont un nombre impair de neutrons. L’ajout d’un neutron supplémentaire libère suffisamment d’énergie de liaison pour les pousser au-dessus de la barrière. Les neutrons lents et de faible énergie fonctionnent bien.
- Thorium-232, Uranium-238 : Ceux-ci ont un nombre pair de neutrons. Le gain d’énergie de liaison est trop faible. Vous avez besoin de l’énergie cinétique du neutron entrant pour compenser la différence. Un neutron rapide avec environ 1 MeV d’énergie est nécessaire.
Le calcul est simple. Si l’énergie d’activation n’est pas là, la barrière tient.
Fission spontanée
La mécanique quantique est bizarre. Il s’agit de probabilités et non de certitudes.
Même dans son état fondamental – la configuration la plus basse énergie, située en toute sécurité sous la barrière – un système fissible a une chance faible et limitée de se trouver de l’autre côté.
Prenez l’uranium 238. Il est confiné à l’intérieur de la barrière. Mais le tunnel quantique lui permet de pénétrer dans le mur. Ça ne grimpe pas. Ça passe à travers.
C’est une fission spontanée. Aucune influence extérieure requise.
La probabilité est infime. Pour l’uranium 238, il faut plus de 10^{15}$ ans pour que la moitié de la matière se désintègre de cette façon. Cela fait longtemps.
Mais pour les nucléides les plus lourds connus, la probabilité augmente. La barrière devient plus fine. La fission spontanée devient le mode de désintégration dominant. Certains de ces noyaux ultra-lourds ne durent que quelques fractions de seconde.
Cette instabilité est une limite stricte. Cela pourrait empêcher la formation de noyaux encore plus lourds. L’univers trace une ligne dans le sable et la fission spontanée est la gomme.
Les étapes de la fission
La figure 3 représente la chronologie d’une division d’un noyau lourd. L’horloge en bas nous indique à quelle vitesse cela se produit. Ce n’est pas une combustion lente. C’est violent et instantané.
La probabilité de scission
Lorsqu’un noyau lourd se fissure, il ne se brise pas toujours en mêmes morceaux. Les neutrons et les protons se déplacent de manière imprévisible. Cela crée une distribution de probabilité pour la masse et la charge nucléaire.
Les scientifiques appellent la probabilité qu’un fragment spécifique apparaisse son rendement de fission. Il est mesuré en pourcentage de toutes les fissions qui aboutissent à ce résultat particulier.
Une fois le noyau cassé, les deux moitiés reculent. Ils sont chargés positivement. La répulsion coulombienne entre eux est immense. Ils se séparent avec une énergie cinétique déterminée par leurs charges et la distance entre leurs centres de charge au moment de la scission. Même pour la même répartition de masse, l’énergie varie. Les paramètres changent. La vitesse de recul change.
Décapage et ralentissement
Les fragments se déplacent trop vite pour leurs propres électrons. Les électrons atomiques ne peuvent pas suivre. Ils sont dépouillés.
Les fragments de fission se séparent sous forme d’atomes hautement chargés et non d’entités neutres.
La charge nucléaire n’est pas immédiatement neutralisée par les électrons atomiques. Le fragment est encore déformé. Lorsqu’il reprend une forme stable, il libère de l’énergie de déformation. Ceci se convertit en énergie d’excitation interne. Les neutrons s’évaporent. Des rayons gamma rapides sont émis presque simultanément.
Ces atomes hautement chargés et se déplaçant rapidement entrent en collision avec le milieu qu’ils traversent. Dans l’air, la portée n’est que de quelques centimètres. L’énergie cinétique est transférée au milieu sous forme d’ionisation et de chaleur. L’atome ralentit.
Durant ce ralentissement, il capte les électrons de l’environnement. Il devient neutre au moment où il s’arrête. Désormais, ce n’est plus un fragment. C’est un produit de fission.
Le numéro de masse peut avoir changé. Des neutrons ont été perdus pendant la transition. Le produit est toujours radioactif. Ce n’est pas stable. Il subit une désintégration bêta. L’échelle de temps ? Des fractions de seconde à plusieurs années. L’émission bêta produit des électrons et des antineutrinos. Les rayons gamma et les rayons X sont souvent de la partie.
Les variables cachées
Les distributions de masse, de charge et d’énergie cinétique dépendent des espèces en fission. Ils dépendent également de l’énergie d’excitation de l’acte.
La phénoménologie est vaste. Il y a de nombreux aspects à interpréter. Considérez la systématique des sections efficaces de fission. C’est une mesure de la probabilité qu’une fission se produise. Considérez la variation des neutrons rapides émis. Cela varie selon les espèces et la répartition des masses.
Regardez la distribution angulaire des fragments par rapport au faisceau de particules. Regardez les demi-vies de fission spontanée. Regardez les isomères de fission spontanée, qui sont des états excités du noyau.
Certains événements émettent des particules lumineuses comme l’hydrogène-3, l’hélium-3 ou l’hélium-4. Pas toujours. Mais en petit nombre mais en nombre significatif. Parmi les produits, il existe des émetteurs de neutrons retardés. L’échelle de temps de chaque étape compte. La répartition de l’énergie libérée entre les particules et le rayonnement est complexe.
Une discussion complète de toutes ces facettes est impossible ici. Mais quelques détails donnent une idée. Ils offrent un avant-goût de la fascination.
Distributions de masse des fragments de fission
La façon dont les fragments de fission se divisent est l’une des caractéristiques les plus déterminantes de l’ensemble du processus nucléaire. Ce n’est pas aléatoire. Cela dépend fortement de deux choses : la masse du noyau qui se divise et l’énergie d’excitation présente lorsque cela se produit.
Aux faibles énergies d’excitation, les choses deviennent asymétriques. Prenez l’uranium 235 ou le plutonium 239. Ils ne se divisent pas en deux moitiés égales. Ils privilégient plutôt une division inégale. Cela crée une distribution de probabilité à deux bosses. Le groupe léger de fragments se déplace vers des nombres de masse plus élevés à mesure que le noyau en fission devient plus lourd. Le groupe lourd reste essentiellement stationnaire.
Augmentez l’énergie et les règles changent.
Les divisions symétriques deviennent plus probables. Les asymétriques tombent. La vallée entre les deux sommets se remplit. Aux excitations élevées, la courbe devient mono-bosse. Le rendement maximum se situe exactement à la symétrie.
Tous les noyaux ne respectent pas les mêmes règles. Les isotopes du radium présentent une étrange distribution à triple bosse. Les nucléides plus légers restent à bosse unique et symétriques. Mais leur fission nécessite en premier lieu une énergie d’activation importante. Ensuite, il y a les noyaux très lourds proches du fermium-260. Ici, la fission spontanée donne une courbe symétrique à une seule bosse. Les énergies cinétiques des fragments résultants sont inhabituellement élevées.
Comprendre ces distributions a été un casse-tête majeur. Une explication théorique complète reste insaisissable, malgré des progrès significatifs.
Comment les chaînes de désintégration rétablissent l’équilibre
La stabilité exige un rapport neutron/proton spécifique (n /p ). Ce rapport doit augmenter à mesure que le nombre de protons augmente. Jusqu’au calcium (20 protons), le rapport reste égal à l’unité. Après, ça grimpe. Pour les éléments les plus lourds, elle atteint environ 1,5.
Lorsqu’un noyau lourd fissile, il émet quelques neutrons. Cela aide, mais pas suffisamment. Les fragments restants ont encore un rapport n /p trop élevé pour la stabilité. Ils sont instables.
Ils résolvent ce problème grâce à la désintégration radioactive. Plus précisément, la désintégration bêta-moins. Les neutrons se transforment en protons. Un électron négatif (particule bêta) et un antineutrino sont émis. Le nombre de masse reste le même. Le numéro atomique augmente de un. Un nouvel élément naît à chaque conversion.
Ces désintégrations bêta successives forment une chaîne de désintégration isobare des produits de fission. Chaque nombre de masse possède sa propre chaîne. Les demi-vies de ces espèces radioactives augmentent généralement à mesure qu’elles se rapprochent de l’isobare stable en fin de ligne.
Pour être clair sur la terminologie :
– Les isotopes partagent la même charge nucléaire (Z, protons) mais diffèrent par le nombre de neutrons et le nombre de masse (A ).
– Les isobares partagent le même numéro de masse (A ) mais diffèrent par leur numéro atomique (Z ).
Considérons une division de masse typique lors de la fission de l’uranium 235 induite par les neutrons. Si deux neutrons sont émis par les fragments initiaux, des masses complémentaires de 93 et 141 se forment. La répartition des charges entre ces fragments est un paramètre critique du processus.
Pour ces masses spécifiques, les chaînes de désintégration isobare se déroulent comme suit. Les demi-vies de chaque étape de désintégration bêta sont indiquées le long des flèches de transition.
Le calcul derrière la fission nucléaire est précis. Si vous regardez le symbole d’un élément, le chiffre du bas est Z (protons) et le chiffre du haut est A (masse). Lorsque l’uranium 235 se divise, il doit conserver la totalité des 92 protons. Le noyau ne se brise pas de manière aléatoire. Il a tendance à se diviser en paires complémentaires. Krypton-36 et Baryum-56. Rubidium-37 et Césium-55. Strontium-38 et Xénon-54. Ces combinaisons conservent la charge. Ce sont les résultats probables.
Rendement indépendant ou cumulatif
Tous les produits de fission n’apparaissent pas de la même manière. Certains apparaissent instantanément. Certains prennent du temps. Le rendement indépendant mesure la fréquence à laquelle un nucléide spécifique se forme directement à partir des fragments initiaux après leur refroidissement. C’est le coup direct. Mais ce n’est pas toute l’histoire.
Si vous voulez une image complète, vous avez besoin du rendement cumulé. Il s’agit du pourcentage total de tout nucléide dans une chaîne de désintégration. Vous l’obtenez en ajoutant le rendement indépendant de ce nucléide aux rendements de chaque précurseur qui s’y désintègre. C’est un jeu de somme. Le rendement total de l’ensemble de la chaîne pour un nombre de masse spécifique est ce que nous appelons le rendement cumulé.
L’hypothèse du déplacement de charge égale
Les radiochimistes étudient cela depuis des décennies. Ils ont trouvé un modèle. La répartition des charges la plus probable n’est pas axée sur la stabilité. C’est déplacé. Et voici le problème : il est déplacé de la même distance dans les fragments légers et lourds. Les scientifiques appellent cela l’hypothèse du déplacement de charge égal (ECD). Les mesures physiques l’ont confirmé.
Dans l’exemple rubidium-césium que j’ai mentionné plus tôt, ECD prédit que les charges les plus probables se situent autour du rubidium-37 et du césium-55. Mais la nature aime les raccourcis. Si un fragment contient 50 protons, un fort effet de coquille se produit. Cela perturbe les attentes de l’ECD. La répartition de la formation de charges est étroite. Cela semble gaussien. C’est presque la même chose quelle que soit la division de masse ou l’atome spécifique en fission.
Le tarif le plus probable ($Z_p$) est ici un concept utile. Il n’est pas nécessaire que ce soit un nombre entier. C’est une moyenne statistique. À mesure que l’énergie de fission augmente, les fragments tentent de conserver le même rapport neutron/proton ($n/p$) que le noyau d’origine. C’est ce qu’on appelle la distribution des frais inchangée.
Neutrons rapides : l’éclatement immédiat
Combien de neutrons en sortent ? Cela varie. Le nombre moyen par fission est de $\bar{\nu}$. Pour la fission spontanée de l’uranium 238, c’est environ 2,0. Pour le fermium-257, il passe à 4,0. Pour la fission de l’uranium 235 induite par les neutrons thermiques, c’est 2,4.
Mais $\bar{\nu}$ est une moyenne. Chaque événement individuel est différent. Cela dépend de la manière dont se produit la division de masse. Il y a encore un débat sur le nombre de neutrons qui s’envolent au moment de la scission. La plupart des physiciens s’accordent cependant sur le fait que la majeure partie des neutrons est libérée par les fragments en recul juste après leur séparation.
Pourquoi? Énergie. Les fragments ont de l’énergie. Chaleur d’excitation interne. Énergie de déformation stockée comme un ressort. Lorsque le fragment reprend sa forme stable, cette énergie libère des neutrons. Plus le fragment a d’énergie, plus il crache de neutrons.
Neutrons retardés : le mécanisme de contrôle
La plupart des neutrons sont rapides. Quelques-uns sont en retard. Cela se produit lorsque les produits de fission se désintègrent bêta. L’énergie de désintégration bêta est élevée. Supérieure à l’énergie de liaison d’un neutron dans le noyau fille. Cela se produit généralement lorsque la fille a un ou deux neutrons supplémentaires au-delà d’une coque fermée de 50 ou 82. Ces neutrons supplémentaires sont faiblement liés.
La désintégration bêta pousse la fille dans un état d’excitation. Un état excité et instable. Il émet un neutron. Mais ce n’est pas instantané. Elle est retardée par la demi-vie du précurseur. Nous avons identifié six émetteurs de neutrons retardés. Leurs demi-vies varient de 0,5 seconde à 56 secondes.
Leur rendement est infime. Environ 1 pour cent des neutrons instantanés. Alors pourquoi sont-ils importants ? Sans eux, contrôler un réacteur nucléaire serait presque impossible. La réaction en chaîne changerait trop rapidement pour que les mains humaines ou même la plupart des systèmes mécaniques puissent s’ajuster. Ces neutrons retardés nous font gagner du temps. Ils rendent la réaction gérable.
Calculs de libération d’énergie
D’où vient la chaleur ? Différence de masse. Vous calculez la libération totale d’énergie en regardant les masses au repos. Réactifs contre produits. Prenez de l’uranium 235 plus un neutron. Comparez-le à des produits finaux stables comme le niobium-93 et le praséodyme-141 plus deux neutrons. La masse n’est pas conservée. Une partie a disparu.
L’équation d’Einstein, $E=mc^2$, nous dit où cela est allé. C’est devenu de l’énergie. Le rejet total dépend de la répartition de masse spécifique. Mais dans la fission de l’uranium 235 induite par les neutrons thermiques, l’énergie se répartit selon un schéma prévisible.
La majorité reste avec les fragments. Énergie cinétique. Les fragments se séparent à grande vitesse et entrent en collision avec les atomes environnants, créant ainsi de la chaleur. Ensuite, il y a les neutrons. Ils transportent de l’énergie cinétique. Les rayons gamma libèrent de l’énergie instantanément. Les particules bêta et les neutrinos transportent de l’énergie pendant la désintégration. Malheureusement, les neutrinos s’échappent complètement. Ils emportent de l’énergie avec eux et ne la lâchent jamais.
C’est pourquoi la conception des réacteurs est si complexe. Vous gérez la chaleur des solides, le rayonnement dans le vide et les particules s’échappant dans l’espace. Le calcul est propre. La réalité est compliquée. Et la répartition de l’énergie détermine la température de votre cœur.
La physique de l’énergie perdue et les modèles nucléaires
Tous les neutrons capturés dans le cœur d’un réacteur ne restent pas sur place. Certains s’échappent complètement et la libération d’énergie de ces neutrons rapides dépend de la manière dont ils sont finalement arrêtés. Cette libération d’énergie rapide se produit sur une échelle de temps d’environ 10 $^{-12}$ secondes. Il est en grande partie converti en chaleur dans un réacteur en fonctionnement et est utilisé pour la production d’électricité.
Mais il y a aussi une libération retardée de l’énergie. Cela provient de la désintégration radioactive des produits de fission, dont la demi-vie varie de quelques fractions de seconde à plusieurs années. Les espèces à durée de vie plus courte se désintègrent dans le réacteur et leur énergie s’ajoute à la chaleur générée ; cependant, les espèces à vie plus longue restent radioactives et posent un problème dans la manipulation et l’élimination des éléments combustibles du réacteur lorsqu’ils doivent être remplacés.
Les antineutrinos qui accompagnent la désintégration bêta des produits de fission ne sont pas réactifs et leur énergie cinétique (environ 10 MeV par fission) n’est pas récupérée. Au total, environ 200 MeV d’énergie par fission peuvent être récupérées pour des applications énergétiques.
Le défi de la précision théorique
La fission nucléaire est un processus complexe qui implique le réarrangement de centaines de nucléons en un seul noyau pour produire deux noyaux distincts. Une compréhension théorique complète de cette réaction nécessiterait une connaissance détaillée des forces impliquées dans le mouvement de chacun des nucléons tout au long du processus. Ces connaissances n’étant pas encore disponibles, il est nécessaire de construire des modèles simplifiés du système réel pour simuler son comportement et obtenir une description aussi précise que possible des étapes du processus. Les succès et les échecs des modèles dans la prise en compte des diverses observations du processus de fission peuvent fournir de nouvelles informations sur la physique fondamentale régissant le comportement des noyaux réels, en particulier sur les grandes déformations nucléaires rencontrées dans un noyau en cours de fission.
Le cadre de compréhension des réactions nucléaires est analogue à celui des réactions chimiques et implique le concept de surface d’énergie potentielle sur laquelle la réaction se produit. La force motrice des réactions physiques ou chimiques est la tendance à réduire l’énergie potentielle et à augmenter la stabilité du système. Ainsi, par exemple, une pierre au sommet d’une colline roulera vers le bas de la colline, convertissant son énergie potentielle au sommet en énergie cinétique de mouvement, et s’immobilisera au bas dans un état plus stable d’énergie potentielle plus faible. L’énergie potentielle est calculée en fonction de différents paramètres du système étudié. Dans le cas de la fission, l’énergie potentielle peut être calculée en fonction de la forme du système à mesure qu’il franchit la barrière jusqu’au point de scission, et le chemin d’énergie potentielle la plus basse peut être déterminé.
Comme cela a été souligné, un calcul exact de l’énergie potentielle nucléaire n’est pas encore possible, et c’est pour se rapprocher de ce calcul que divers modèles ont été construits pour simuler le système réel. Certains modèles ont été développés pour aborder des aspects de la structure nucléaire et de la spectroscopie ainsi que les caractéristiques des réactions nucléaires, et ils ont également été utilisés pour tenter de comprendre la complexité de la fission nucléaire. Les modèles sont basés sur différentes hypothèses et approximations de la nature des forces nucléaires et de la dynamique du cheminement vers la scission. Aucun modèle ne peut rendre compte de l’ensemble de la phénoménologie de la fission, mais chacun aborde différents aspects du processus et fournit une base pour un développement ultérieur vers une théorie complète.
La goutte de liquide et le mystère de l’asymétrie
Le noyau ne reste pas là. Ça bouge. Parfois, tout oscille comme une goutte d’eau. D’autres fois, des particules individuelles dansent dans leur propre voie. Cette dualité a dérouté les physiciens pendant des décennies.
George Gamow a ouvert le bal en 1935. Il a représenté le noyau comme une goutte de liquide incompressible. Niels Bohr a repris cette idée et l’a poursuivie. En 1939, Bohr et John A. Wheeler avaient utilisé le modèle de la goutte de liquide pour expliquer la fission nucléaire. Le concept était simple. Vous lancez un neutron dans un noyau. Il est absorbé. L’énergie se diffuse. Le noyau vacille. Finalement, il se divise.
Le modèle a bien fonctionné pour une vue d’ensemble. Cela a montré comment la puissante force nucléaire qui tente de maintenir les choses ensemble rivalise avec la répulsion électrique entre les protons qui tentent de les déchirer. Mais il y avait un défaut fatal. Il prédisait que lorsqu’un noyau se divise, il se divise en deux moitiés égales. Symétrique. Faire le ménage.
Cela ne s’est pas passé ainsi.
La fission entraîne des masses inégales. Un morceau est gros. L’autre est petit. Le modèle de goutte de liquide ne pouvait pas expliquer cette asymétrie de masse. Il a également lutté contre les masses fondamentales et les barrières de fission. Pour les noyaux très excités, le modèle convient. Pour les stables ? Pas tellement.
Coquillages et nombres magiques
Les scientifiques avaient besoin d’un angle différent. Ils ont arrêté de considérer le noyau comme une goutte. Ils ont commencé à examiner des particules individuelles.
Imaginez un seul nucléon se déplaçant à travers un champ créé par tous les autres. C’est un potentiel moyen. Un puits sphérique. La mécanique quantique résout le mouvement d’une particule dans ce puits. Le résultat ? Niveaux d’énergie.
Les neutrons et les protons ont leurs propres niveaux. Ils se regroupent en coquilles. Tout comme les électrons dans un atome. Un certain nombre de nucléons remplissent complètement ces coquilles. Ce sont les chiffres magiques.
2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.
Les noyaux avec ces nombres sont obstinément stables. Ils se lient étroitement. Maria Goeppert Mayer et J. Hans D. Jensen l’ont formalisé en 1949. Ils l’ont appelé le modèle à coque sphérique. Également connu sous le nom de modèle de particules indépendantes.
Cela expliquait les masses de l’état fondamental. Cela expliquait les spins nucléaires. Cela explique pourquoi certains états excités durent plus longtemps que d’autres (isomères). Si le noyau est sphérique et proche d’un nombre magique, le modèle est excellent.
Mais qu’en est-il du reste du tableau périodique ?
Le noyau déformé
Prenez les lanthanides et les actinides. Du Lanthane au Lutécium. Actinium à Lawrencium. Leur nombre de nucléons se situe entre les nombres magiques.
Le modèle à coque sphérique échoue ici. Ces noyaux ne sont pas sphériques. Ils sont déformés. Ils s’étendent. Ils ressemblent à un ballon de football. Ou une pastèque.
En 1955, Aage Bohr, Ben R. Mottelson et Sven G. Nilsson intervinrent. Ils calculèrent le mouvement d’un nucléon dans un potentiel sphéroïdal. Pas une sphère. Un sphéroïde.
Un sphéroïde a trois axes de symétrie. Il peut tourner. La rotation se produit indépendamment de l’excitation interne des nucléons. Le noyau peut aussi vibrer. Cela peut pulser.
Cette approche hybride combinait le mouvement des particules indépendantes avec le mouvement collectif de l’ensemble du système. Rotations. Vibrations. Structures en coque.
Ils l’ont appelé le modèle unifié. C’est devenu le modèle de coque déformée.
Ce n’était pas juste un ajustement. C’était un changement dans la façon dont nous percevons le noyau atomique. Le noyau n’est pas qu’une goutte. Ce n’est pas seulement une collection de balles isolées. C’est un objet dynamique et déformable.
Pourquoi est-ce important ?
Parce que la fission nucléaire ne consiste pas seulement à briser des choses. Il s’agit de comprendre la structure qui les détient. L’asymétrie de la fission est liée à ces effets de coquille. Les niveaux d’énergie changent à mesure que le noyau se déforme. Le chemin vers la scission devient complexe.
Nous utilisons toujours le modèle de la goutte de liquide. C’est utile pour les collisions à haute énergie. Mais pour les détails subtils ? Pour les grands écarts ? Pour la stabilité des éléments lourds ? Vous avez besoin du modèle shell. Vous avez besoin de la déformation.
L’histoire du noyau est l’histoire de ces modèles concurrents. Baisse. Coquille. Unifié. Ils ne s’annulent pas. Ils se superposent les uns aux autres.
Nous affinons encore les paramètres. Je peaufine toujours les potentiels. Le noyau reste l’un des systèmes à petite échelle les plus complexes que nous connaissons.
Et nous n’avons même pas encore commencé à étudier les quarks à l’intérieur des protons.
Aage Bohr a appliqué le modèle unifié à la fission en traitant les états excités d’un système en fonction d’un paramètre de déformation. Considérez ce paramètre comme l’allongement – l’étirement physique du noyau à mesure qu’il se dirige vers la division. Bohr a évalué ces états au point de selle. C’est le sommet de la barrière énergétique.
Voici le piège. Une fois que le système atteint le point de selle, la majeure partie de son énergie d’excitation sert à déformer le noyau. Le système devient « froid ». Il lui reste peu d’énergie thermique. Seuls les états excités de faible altitude sont disponibles. C’est là que les choses se compliquent pour les théoriciens.
Comment le spin et la parité dictent les chemins de fission
Le spin et la parité du canal spécifique occupé par le système au point de selle déterminent le résultat de la fission. C’est ce qu’on appelle l’analyse de l’état de transition. Il rend compte qualitativement de plusieurs caractéristiques clés du processus.
Les seuils de fission dépendent du spin et de la parité de l’état nucléaire composé. La distribution angulaire des fragments est régie par le moment cinétique de rotation collectif de cet état. L’asymétrie dans la répartition des masses résulte du passage de la barrière dans un état de parité négative. La parité négative manque de symétrie de réflexion.
“C’est le seul modèle qui donne une interprétation satisfaisante des distributions angulaires des fragments de fission.”
Le modèle fonctionne bien, mais il repose sur une hypothèse majeure. Il suppose que les propriétés de l’état de transition au point de selle ne sont pas modifiées par des considérations dynamiques lors de la descente vers le point de scission. C’est un grand “si”. Malgré cela, le modèle reste incontournable. Toute théorie complète de la fission doit inclure ses caractéristiques attrayantes.
Pourquoi les nombres magiques sont importants pour le fractionnement de masse
La première utilisation du modèle à coque sphérique en fission était plus simple. Il a reconnu que les pics de distribution de masse de fission étaient corrélés à des nombres magiques. Cela suggère une interprétation qualitative de la division asymétrique de la masse.
Les noyaux préfèrent la stabilité. Une préférence pour la formation de noyaux avec un nombre de neutrons proche de 82 favorise le pic des groupes lourds. Cela détermine la répartition de la masse du système de fission. Voir la figure 4 dans les données originales.
Une stabilité supplémentaire pour 50 protons était attendue. Cela n’est pas particulièrement évident dans les données. Prenez l’étain-132. C’est un noyau doublement magique comportant 50 protons et 82 neutrons. Son rendement en fission à basse énergie est plutôt faible. Le modèle n’est pas parfait.
Peter Fong et l’approche statistique
Peter Fong, aux États-Unis, en a fait une application plus quantitative en 1956. Il a utilisé une approche fondée sur un modèle statistique. Il a lié la probabilité de former une paire donnée de fragments à la densité d’états disponible au point de scission.
La logique est simple. Un mouvement aléatoire signifie que le système subit toutes les configurations possibles. Il a une plus grande probabilité de se trouver dans les régions où se concentre le plus grand nombre de configurations. Le modèle suppose que l’énergie potentielle au point de selle est convertie en énergie d’excitation. L’équilibre statistique entre tous les États est établi au point de scission.
Les noyaux à coque fermée ont une énergie de liaison supplémentaire. Cela conduit à une densité d’états plus élevée pour une énergie d’excitation donnée. Ce n’est pas le cas des autres noyaux. Cela crée une probabilité de formation plus élevée pour les configurations à coque fermée. Le résultat est une distribution de masse asymétrique. Cela concorde bien avec les observations de fission de l’uranium 235 induite par les neutrons.
Le problème de l’équilibre des points de scission
Les changements dans la distribution de masse avec une énergie d’excitation accrue sont également expliqués. À mesure que l’énergie d’excitation augmente, l’importance des effets de coque diminue. Cela augmente la probabilité de fission symétrique par rapport à la fission asymétrique.
D’autres caractéristiques sont expliquées qualitativement. Des changements importants dans les paramètres du modèle sont toutefois nécessaires pour correspondre aux expériences sur d’autres nucléides fissiles. Les hypothèses de base posent des problèmes fondamentaux.
La question centrale des modèles à points de scission est la validité. Le système reste-t-il suffisamment longtemps au point de scission lors du fort déclin de la surface d’énergie potentielle ? Est-il temps d’établir une condition de quasi-équilibre ?
Il existe des preuves qu’une telle condition prévaut. Ce n’est pas clairement établi. Pourtant, ces modèles s’avèrent utiles. Ils interprètent les observations de distributions de masse, de charge et d’énergie cinétique. Ils expliquent la dépendance de l’émission de neutrons à la masse des fragments.
La structure de la coquille fragmentée joue probablement un rôle important. Il détermine le déroulement du processus de fission. Les détails restent en suspens. La physique est compliquée.
Les modèles à gouttes de liquide conviennent aux formes générales. Ils échouent lorsque les noyaux s’étirent. Plus précisément, ils ne tiennent pas compte des coûts énergétiques de surface lors de grandes déformations. C’est un problème pour la fission.
V. M. Strutinskii a résolu ce problème en 1967. C’était un physicien russe. Il a proposé un modèle hybride. Il ajoute des effets de coque au potentiel de goutte de liquide. La partie goutte de liquide conserve la surface collective et les effets Coulomb. Les corrections de coque dépendent de la déformation. Ces corrections peuvent atteindre plusieurs millions d’électrons-volts. Cela éclipse la barrière contre les gouttes de liquide d’environ 5 MeV.
La stabilité de la coque change avec la forme. Les nombres magiques passent des valeurs sphériques. Près de la barrière de fission, cela crée une structure dans la courbe d’énergie. La figure 7 le montre. Les deux pics varient en masse et en charge.
La barrière à double bosse explique les isomères
Cette forme à double bosse résout les énigmes de la fission. Il existe des isomères de fission spontanée de courte durée. Ils vivent dans le deuxième puits. États de classe II. La barrière à la sortie est plus petite. Les demi-vies sont plus courtes.
Ces états diffèrent par leur forme. Les états de classe I reviennent à l’état fondamental via l’émission gamma. Les États de classe II font obstacle à cela. Ce sont des isomères de forme. La barrière à double bosse explique également les sections efficaces de fission induite par les neutrons. Il structure les distributions angulaires des fragments.
La méthode de Strutinskii a stimulé les calculs. Il a traité les effets macroscopiques et microscopiques de manière cohérente. Les physiciens américains W.J. Swiatecki et James R. Nix ont dirigé ces études. Ils ont cartographié les surfaces d’énergie potentielle. Certains travaux ont même abordé l’évolution dynamique.
Asymétrie et point de scission
Les actinides présentent une asymétrie au niveau de la deuxième barrière. Les divisions de masse asymétriques ont une énergie inférieure. Les divisions symétriques sont favorisées plus tard. Le potentiel unique échoue en cas de grandes déformations. Il ne peut pas bien gérer deux fragments en formation.
Une discontinuité se produit lors de la scission. Les résultats dépendent du traitement du système comme d’un ou deux noyaux. Un potentiel à deux centres aide. Il utilise des sphères qui se chevauchent. Il correspond au comportement monocentrique en petite déformation. Il correspond au comportement séparé en grande déformation.
Cela suggère une préformation de coquilles à fragments dès le début. Les modèles à points de scission peuvent avoir des hypothèses fragiles. Pourtant, ils correspondent à l’observation. Le modèle Argonne Scission-Point est essentiel. Il utilise des obus à fragments déformés. Cela comprend une interaction via un cou. Il prédit les distributions de masse, de charge et d’énergie cinétique. Il couvre la dépendance aux émissions de neutrons. Cela ne prédit pas la probabilité de fission. Ou des distributions angulaires.
Les corrections de coque s’estompent avec l’énergie d’excitation. Le comportement macroscopique prend le dessus.
Les nombres magiques entraînent une fission symétrique
Le fermium-264 subit une fission symétrique. Les énergies cinétiques des fragments sont inhabituellement élevées. Pourquoi? Stabilité des nombres magiques. 50 protons. 82 neutrons.
Deux fragments d’étain 132 se forment. C’est doublement magique. Il est énergétiquement favorisé. La fission de l’uranium ou du plutonium à basse énergie ne favorise pas deux de ces fragments. Seulement un.
Les fragments d’étain-132 sont sphériques. Pas déformé. Configuration compacte à la scission. Centres de recharge plus rapprochés. Résultats d’énergie cinétique plus élevés.
La physique est claire. La structure compte. Les surfaces énergétiques ne sont pas lisses. Ils ont des puits. Et des barrières. Et des discontinuités. Nous sommes toujours en train de les cartographier.
Les effets de coquille restent essentiels au processus de fission. Cela est vrai qu’il s’agisse du système de fission au point de selle ou des fragments déformés près du point de scission. Ces propriétés de la mécanique quantique contribuent à expliquer de nombreuses caractéristiques observées. Mais nous n’avons toujours pas de réponse claire quant à l’étape exacte à laquelle la distribution des fragments est déterminée.
Les ingrédients d’une compréhension raisonnable de la fission sont là. Ils n’ont tout simplement pas encore été synthétisés en une théorie complète et dynamique.
L’approximation adiabatique
Considérez la dynamique de la descente. Le système se déplace sur une surface d’énergie potentielle du point selle au point de scission. Une vue extrême est l’approximation adiabatique. Ce modèle suppose que le mouvement collectif du système est lent. Ou peut-être que le couplage entre les degrés de liberté collectifs et internes des particules uniques est faible.
Si cela est vrai, les mouvements rapides d’une seule particule peuvent facilement s’adapter aux changements de forme du noyau en fission. Il progresse vers la scission sans perturber son état interne. Les changements se produisent sans gain ni perte d’énergie thermique.
La diminution de l’énergie potentielle entre les points de selle et de scission apparaîtra alors principalement dans les degrés de liberté collectifs à la scission et sera associée à l’énergie cinétique du mouvement relatif des fragments naissants.
C’est ce qu’on appelle l’énergie cinétique de pré-scission. L’énergie est utilisée dans le mouvement des fragments lorsqu’ils se séparent.
Transfert d’énergie non adiabatique
L’extrême opposé implique un mouvement collectif plus rapide. Ou un couplage plus fort au mouvement des particules. Ici, l’énergie collective se transforme en excitation interne. Cela devient de l’énergie thermique pour les nucléons.
Pensez-y comme au chauffage dans le mouvement d’un fluide visqueux. La friction entre les couches génère de la chaleur. Dans ce processus non adiabatique, le mélange entre les degrés de liberté d’une seule particule peut être complet. Un modèle statistique pourrait être applicable au point de scission.
Le juste milieu
Les deux extrêmes sont des approximations. Ils représentent un comportement complexe simplifié pour l’analyse. Les preuves expérimentales peuvent étayer l’une ou l’autre interprétation en fonction du noyau ou de l’énergie spécifique impliquée.
La nature rentre rarement dans des cases binaires. La vérité se situe probablement quelque part entre ces extrêmes. Des mécanismes adiabatiques et non adiabatiques jouent probablement un rôle dans le processus de fission. L’interaction entre les changements de forme macroscopiques et les ajustements quantiques microscopiques reste l’une des questions ouvertes en physique nucléaire. Nous connaissons les pièces. Nous ne les avons tout simplement pas encore assemblés.
La fission ne se produit pas qu’une seule fois. Cela se propage. Lorsqu’un noyau se divise, il crache des neutrons. Si ces neutrons heurtent un autre atome fissile, cet atome se divise également. Il libère davantage de neutrons. La chaîne s’agrandit. Ou alors il meurt.
Le calcul derrière cela est simple mais mortel. Nous le mesurons avec k, le facteur de multiplication. C’est le rapport des fissions d’une génération à la dernière.
- Si k est inférieur à 1, la réaction s’arrête.
- Si k est égal à 1, vous avez un pouls régulier. Une assemblée critique.
- Si k est supérieur à 1, la chaîne explose. Super critique.
Un assemblage critique n’est pas seulement une goutte de métal. C’est un système soigneusement conçu. Vous avez besoin de matière fissile, généralement du métal ou de l’oxyde. Vous avez besoin d’un modérateur pour ralentir les neutrons. Vous avez besoin d’un réflecteur pour renvoyer les neutrons parasites dans le noyau afin qu’ils ne s’échappent pas.
La physique de la bombe contre la centrale électrique
Dans une bombe, la vitesse est primordiale. Vous voulez k aussi haut que possible. Vous voulez que le temps entre les étapes soit extrêmement petit. Le but est de libérer une énergie massive en 10^-7 secondes environ.
Considérez l’échelle. Un kilogramme d’uranium 235 soumis à la fission libère une énergie équivalente à 20 000 tonnes de TNT. C’est un tueur de ville dans un seul kilogramme.
Les réacteurs sont différents. Ils ne veulent pas exploser. Ils veulent fredonner. Dans un réacteur en régime permanent, k reste à 1. Mais pratiquement ? Vous ne pouvez pas le maintenir exactement à 1. Vous le concevez pour qu’il soit légèrement supérieur à 1.
Pourquoi ? Parce que les choses se dégradent.
Le carburant brûle. Cela épuise. Les produits de fission s’accumulent. Certains de ces sous-produits sont des « poisons ». Ils mangent des neutrons. Ils abaissent k. Si vous démarrez exactement à 1, le réacteur s’arrête avant que vous n’obteniez de la puissance utile. Commencer légèrement haut vous permet de compenser la perte de carburant et l’accumulation de poison.
Vous devez également économiser quelques neutrons. Vous pouvez les utiliser pour la recherche ou pour créer des isotopes radioactifs à usage médical et industriel.
Les barres de contrôle rendent cela possible. Ce sont des tiges mobiles constituées de matériaux absorbant les neutrons comme le bore, le cadmium ou le hafnium. Faites-les glisser et k tombe. Retirez-les et k se lève.
Ce n’est cependant pas instantané. Grâce aux émetteurs de neutrons retardés parmi les produits de fission, il existe un décalage entre les générations de neutrons. Ce minuscule délai donne aux opérateurs humains et aux systèmes mécaniques le temps de réagir. Sans cela, contrôler un réacteur serait impossible.
Réacteurs thermiques, intermédiaires et rapides
Tous les réacteurs ne fonctionnent pas de la même manière. Ils sont classés selon l’énergie des neutrons entraînant la chaîne.
Réacteurs thermiques
Ce sont les plus courants. Ils s’appuient sur des neutrons « thermiques ». Ce sont des neutrons lents, se déplaçant à des vitesses comparables à celles des molécules de gaz à température ambiante.
La fission produit des neutrons rapides. Énergie cinétique moyenne supérieure à 1 MeV. Trop rapide pour diviser efficacement les autres atomes d’uranium 235. Vous devez les ralentir. C’est le travail du modérateur.
Modérateurs communs :
– Eau ordinaire
– Eau lourde (D2O)
-Graphite
Réacteurs intermédiaires
Ceux-ci entretiennent la chaîne avec des neutrons d’énergie intermédiaire. Ils pourraient utiliser le béryllium comme modérateur. Moins courant, mais utile dans des conceptions spécifiques.
Réacteurs rapides
Aucun modérateur n’est nécessaire. Ici, ce sont des neutrons de fission rapides qui font le travail. Ils maintiennent la réaction en chaîne sans la ralentir. Cela nécessite différentes compositions et conceptions de carburant, mais peut être plus efficace en termes de consommation de carburant.
Chaque type a besoin d’un moyen d’évacuer la chaleur. Vous ne pouvez pas faire fonctionner un réacteur à sec. Les liquides de refroidissement varient selon la conception :
– Eau
– Gaz
-Métal liquide
Le choix du liquide de refroidissement dépend des besoins en matière de pression, de température et de stabilité chimique.
Au-delà de l’électricité : l’utilité des produits de fission
Une fois le réacteur en marche et le combustible épuisé, les déchets ne sont plus seulement des déchets. C’est une ressource. Les produits de fission créés pendant l’exploitation contiennent une multitude d’isotopes radioactifs.
Certains d’entre eux sont de courte durée et dangereux. D’autres sont suffisamment stables pour être récoltés.
Les isotopes médicaux constituent une cible privilégiée. Le technétium-99m, utilisé en imagerie diagnostique, est souvent un sous-produit de la fission. L’iode 131 traite les affections thyroïdiennes. Le strontium-90 alimente les stimulateurs cardiaques et les radios à distance.
Les applications industrielles sont tout aussi vastes. Les radio-isotopes sont utilisés en radiographie pour inspecter les cordons de soudure des pipelines. Ils mesurent l’épaisseur dans les lignes de fabrication. Ils stérilisent le matériel médical sans chaleur, préservant ainsi les matériaux sensibles.
D’un point de vue, les « déchets » constituent la matière première d’une autre industrie. Le même processus qui génère de l’énergie génère également les outils nécessaires à la médecine et à l’industrie modernes.
La distinction entre production d’énergie et production de matériaux est artificielle. Dans un cycle bien conçu, ce sont deux sorties du même flux neutronique.
Un réacteur nucléaire est, à la base, un four. Il génère de la vapeur ou des gaz chauds. Ces sorties font deux choses. Ils fournissent une chaleur directe. Ou encore, ils entraînent des turbines pour faire tourner des générateurs d’électricité.
C’est l’histoire familière. Les centrales électriques commerciales utilisent cette technologie à l’échelle mondiale. La Marine l’utilise pour propulser les sous-marins et les navires de surface. Mais l’histoire s’arrête là seulement si l’on regarde l’essentiel. La véritable utilité de ces machines s’étend bien au-delà du réseau.
Pourquoi un flux de neutrons élevé est important
Les réacteurs jouent un rôle essentiel dans la science des matériaux. Ils fournissent des flux de neutrons intenses. Les scientifiques l’utilisent pour étudier le comportement des matériaux sous contrainte. Ils l’utilisent pour sonder les structures atomiques. Mais il y a une autre sortie ici. Une large gamme de radionucléides.
Ces radionucléides ne sont pas de simples déchets. Outre les produits de fission, ils ont trouvé de nombreuses applications. Vous pouvez les trouver dans les traitements médicaux. Vous pouvez les trouver en radiographie industrielle. Le réacteur est une usine à isotopes.
L’avantage de la batterie atomique
La chaleur provenant de la désintégration radioactive a une autre astuce. Elle peut être convertie directement en électricité. Cela se produit grâce à l’effet thermoélectrique dans les matériaux semi-conducteurs. Le résultat est une batterie atomique.
Ce ne sont pas comme les piles de votre téléphone. Ils durent longtemps. Ils dépendent d’isotopes spécifiques. Certains émettent des particules bêta. Le strontium-90 en est un exemple. Le prométhium-147 en est un autre. D’autres émettent des particules alpha. Le plutonium-238 entre dans cette catégorie. Le curium-244 est également utilisé.
Pourquoi les utiliser plutôt que des batteries solaires ou chimiques ? Parce qu’ils travaillent sans soleil. Ils travaillent dans un froid extrême. Ils fonctionnent pendant des décennies sans entretien.
Où nous les mettons
Cela les rend idéaux pour les endroits que les humains ne peuvent pas facilement atteindre. Ou des endroits où le ravitaillement est impossible.
Prenez des stimulateurs cardiaques. Les premiers modèles utilisaient ces batteries nucléaires. Ils ont survécu au cœur humain. Ils maintenaient les patients en vie lorsque les autres sources d’énergie tombaient en panne.
Ils sont également essentiels pour les installations distantes sans pilote. Pensez aux sondes spatiales. Les missions Voyager utilisaient des sources d’énergie au plutonium-238. Les panneaux solaires n’étaient pas une option si loin du soleil.
Considérez les régions polaires. L’Arctique et l’Antarctique ont des hivers longs. La lumière du soleil est rare. Les batteries nucléaires font fonctionner les instruments.
Les mers ouvertes présentent des défis similaires. Les stations de surveillance en haute mer ont besoin d’une source d’énergie qui ne fuit pas et ne se corrode pas rapidement. Ces isotopes assurent la stabilité.
Impact dans le monde réel
Les applications de la radioactivité vont au-delà du simple pouvoir. Il existe également des utilisations pratiques pour d’autres radionucléides. Ils aident à diagnostiquer les maladies. Ils stérilisent le matériel médical. Ils tracent les flux de fluides dans les puits de pétrole.
Quand vous regardez un réacteur nucléaire, vous voyez bien plus qu’une centrale électrique. C’est une source de précision. C’est un outil de découverte. Il s’agit d’un système de survie dans les environnements les plus difficiles sur Terre et au-delà.
La science est complexe. Les applications sont partout. Il faut juste savoir où chercher.
