La fission d'un noyau est la scission d'un atome lourd en deux fragments de masse approximativement égale, accompagnée de la libération d'une grande quantité d'énergie.
La découverte de la fission nucléaire a ouvert une nouvelle ère - "l'ère atomique". Le potentiel de son utilisation possible et le rapport risque/bénéfice de son utilisation ont non seulement généré de nombreuses réalisations sociologiques, politiques, économiques et scientifiques, mais aussi de sérieux problèmes. Même d'un point de vue purement scientifique, le processus de fission nucléaire a créé un grand nombre d'énigmes et de complications, et une explication théorique complète de celui-ci est une question d'avenir.
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Les énergies de liaison (par nucléon) diffèrent selon les noyaux. Les plus lourds ont des énergies de liaison inférieures à celles situées au milieu du tableau périodique.
Cela signifie que les noyaux lourds avec un numéro atomique supérieur à 100 bénéficient de la division en deux fragments plus petits, libérant ainsi de l'énergie quiconvertie en énergie cinétique des fragments. Ce processus s'appelle la division du noyau atomique.
Selon la courbe de stabilité, qui montre la dépendance du nombre de protons sur le nombre de neutrons pour les nucléides stables, les noyaux plus lourds préfèrent plus de neutrons (par rapport au nombre de protons) que les plus légers. Cela suggère qu'avec le processus de séparation, des neutrons "de réserve" seront émis. De plus, ils absorberont également une partie de l'énergie libérée. L'étude de la fission nucléaire de l'atome d'uranium a montré que 3-4 neutrons sont libérés: 238U → 145La + 90Br + 3n.
Le numéro atomique (et la masse atomique) d'un fragment n'est pas égal à la moitié de la masse atomique du parent. La différence entre les masses d'atomes formés à la suite de la scission est généralement d'environ 50. Cependant, la raison n'en est pas encore entièrement comprise.
Les énergies de liaison de 238U, 145La et 90Br sont 1803, 1198 et 763 MeV, respectivement. Cela signifie qu'à la suite de cette réaction, l'énergie de fission du noyau d'uranium est libérée, égale à 1198 + 763-1803=158 MeV.
Fission spontanée
Les processus de clivage spontané sont connus dans la nature, mais ils sont très rares. La durée de vie moyenne de ce processus est d'environ 1017 ans et, par exemple, la durée de vie moyenne de la désintégration alpha du même radionucléide est d'environ 1011ans.
La raison en est que pour se diviser en deux parties, le noyau doitsubissent d'abord une déformation (étirement) en une forme ellipsoïdale, puis, avant la division finale en deux fragments, forment un "cou" au milieu.
Barrière potentielle
À l'état déformé, deux forces agissent sur l'âme. L'un d'eux est l'augmentation de l'énergie de surface (la tension superficielle d'une goutte de liquide explique sa forme sphérique), et l'autre est la répulsion coulombienne entre les fragments de fission. Ensemble, ils forment une barrière potentielle.
Comme dans le cas de la désintégration alpha, pour que la fission spontanée du noyau de l'atome d'uranium se produise, les fragments doivent surmonter cette barrière en utilisant l'effet tunnel quantique. La barrière est d'environ 6 MeV, comme dans le cas de la désintégration alpha, mais la probabilité d'effet tunnel d'une particule α est bien supérieure à celle d'un produit de fission d'atome beaucoup plus lourd.
Division forcée
Beaucoup plus probable est la fission induite du noyau d'uranium. Dans ce cas, le noyau parent est irradié par des neutrons. Si le parent l'absorbe, ils se lient, libérant de l'énergie de liaison sous forme d'énergie vibratoire qui peut dépasser les 6 MeV nécessaires pour surmonter la barrière de potentiel.
Là où l'énergie d'un neutron supplémentaire est insuffisante pour franchir la barrière de potentiel, le neutron incident doit avoir une énergie cinétique minimale pour pouvoir induire la scission d'un atome. Dans le cas de l'énergie de liaison 238U supplémentaireil manque des neutrons d'environ 1 MeV. Cela signifie que la fission du noyau d'uranium n'est induite que par un neutron d'énergie cinétique supérieure à 1 MeV. D'autre part, l'isotope 235U a un neutron non apparié. Lorsque le noyau en absorbe un autre, il forme une paire avec lui et, à la suite de cet appariement, une énergie de liaison supplémentaire apparaît. C'est suffisant pour libérer la quantité d'énergie nécessaire au noyau pour franchir la barrière de potentiel et la fission isotopique se produit lors d'une collision avec un neutron.
Beta Decay
Malgré le fait que la réaction de fission émette trois ou quatre neutrons, les fragments contiennent encore plus de neutrons que leurs isobares stables. Cela signifie que les fragments de fission sont généralement instables vis-à-vis de la désintégration bêta.
Par exemple, lorsque la fission de l'uranium se produit 238U, l'isobare stable avec A=145 est le néodyme 145Nd, ce qui signifie que le fragment de lanthane 145La se désintègre en trois étapes, émettant à chaque fois un électron et un antineutrino, jusqu'à la formation d'un nucléide stable. L'isobare stable avec A=90 est le zirconium 90Zr, de sorte que le brome de fragment de séparation 90Br se désintègre en cinq étapes de la chaîne de désintégration β.
Ces chaînes de désintégration β libèrent de l'énergie supplémentaire, dont la quasi-totalité est emportée par les électrons et les antineutrinos.
Réactions nucléaires: fission des noyaux d'uranium
Rayonnement direct d'un neutron par un nucléide avec tropun grand nombre d'entre eux pour assurer la stabilité du noyau est peu probable. Le point ici est qu'il n'y a pas de répulsion de Coulomb, et donc l'énergie de surface a tendance à maintenir le neutron en liaison avec le parent. Cependant, cela arrive parfois. Par exemple, le fragment de fission 90Br dans la première étape de la désintégration bêta produit du krypton-90, qui peut être dans un état excité avec suffisamment d'énergie pour surmonter l'énergie de surface. Dans ce cas, l'émission de neutrons peut se produire directement avec la formation de krypton-89. Cet isobare est toujours instable à la désintégration β jusqu'à ce qu'il se transforme en yttrium-89 stable, donc le krypton-89 se désintègre en trois étapes.
Fission de l'uranium: réaction en chaîne
Les neutrons émis lors d'une réaction de fission peuvent être absorbés par un autre noyau parent, qui subit lui-même une fission induite. Dans le cas de l'uranium 238, les trois neutrons produits sortent avec une énergie inférieure à 1 MeV (l'énergie libérée lors de la fission du noyau d'uranium - 158 MeV - est principalement convertie en énergie cinétique des fragments de fission), ils ne peuvent donc pas provoquer de fission supplémentaire de ce nucléide. Cependant, avec une concentration importante de l'isotope rare 235U, ces neutrons libres peuvent être capturés par les noyaux 235U, qui peuvent en effet provoquer une fission, puisque dans ce cas, il n'y a pas de seuil d'énergie en dessous duquel la fission n'est pas induite.
C'est le principe de la réaction en chaîne.
Types de réactions nucléaires
Soit k le nombre de neutrons produits dans un échantillon de matière fissile à l'étape n de cette chaîne, divisé par le nombre de neutrons produits à l'étape n - 1. Ce nombre dépendra du nombre de neutrons produits à stade n - 1, sont absorbés par le noyau, qui peut subir une fission forcée.
• Si k < vaut 1, la réaction en chaîne s'arrêtera simplement et le processus s'arrêtera très rapidement. C'est exactement ce qui se passe dans le minerai d'uranium naturel, où la concentration en 235U est si faible que la probabilité d'absorption d'un des neutrons par cet isotope est extrêmement négligeable.
• Si k > 1, alors la réaction en chaîne se développera jusqu'à ce que toute la matière fissile soit utilisée (bombe atomique). Ceci est réalisé en enrichissant le minerai naturel pour obtenir une concentration suffisamment élevée en uranium-235. Pour un échantillon sphérique, la valeur de k augmente avec l'augmentation de la probabilité d'absorption des neutrons, qui dépend du rayon de la sphère. Par conséquent, la masse de U doit dépasser une certaine masse critique pour que la fission des noyaux d'uranium (une réaction en chaîne) se produise.
• Si k=1, alors une réaction contrôlée a lieu. Ceci est utilisé dans les réacteurs nucléaires. Le processus est contrôlé en répartissant des barres de cadmium ou de bore parmi l'uranium, qui absorbe la plupart des neutrons (ces éléments ont la capacité de capter les neutrons). La fission du noyau d'uranium est contrôlée automatiquement en déplaçant les barres pour que la valeur de k reste égale à un.
