Fission nucléaire
La fission est la division d’un noyau lourd en deux fragments principaux, accompagnée en général de neutrons et de photons. Pour certains noyaux, l’absorption d’un neutron rend cette transformation beaucoup plus probable et peut permettre une réaction en chaîne.
De la capture d’un neutron aux fragments
Après capture d’un neutron, un noyau fissile peut former un noyau composé excité. Celui-ci se déforme puis se sépare en fragments. Les masses exactes des fragments varient d’un événement à l’autre.
Le bilan complet inclut aussi les neutrons prompts, les photons gamma et les désintégrations ultérieures de fragments souvent riches en neutrons.
Pourquoi une fission peut libérer environ 200 MeV
Les noyaux de masse moyenne possèdent en moyenne une énergie de liaison par nucléon plus élevée que les noyaux très lourds. Lorsque les produits sont plus fortement liés, leur masse totale au repos est plus faible.
Q = (minitial − mfinal)c²
Une grande partie de l’énergie apparaît d’abord comme énergie cinétique des fragments, puis est transférée au matériau environnant.
Les neutrons rendent possible une réaction en chaîne
Une fission libère typiquement plusieurs neutrons. Certains peuvent être perdus, absorbés sans provoquer de fission ou déclencher une nouvelle fission. La grandeur essentielle est le facteur de multiplication effectif k.
Si k < 1, la chaîne décroît ; si k = 1, elle reste stationnaire ; si k > 1, elle augmente. Cette description porte sur une population de neutrons, pas sur une trajectoire déterministe de chaque neutron.
Les neutrons prompts et retardés n’ont pas la même échelle de temps
La majorité des neutrons de fission sont émis presque immédiatement. Une petite fraction apparaît plus tard, après les désintégrations de certains produits de fission.
Cette petite composante retardée est cruciale pour la cinétique lente et contrôlable d’un réacteur : elle sépare nettement les échelles de temps possibles d’une réaction en chaîne.
Exercices résolus
1. Énergie de plusieurs fissions
Une fission libère 200 MeV. Quelle énergie correspondent 1000 fissions, en MeV ?
Solution
1000 × 200 = 2,0 × 10⁵ MeV.
2. Facteur k
Que signifie k = 0,95 ?
Solution
Chaque génération produit en moyenne moins de neutrons efficaces que la précédente : la chaîne est sous-critique et décroît.
3. Origine de l’énergie
Pourquoi dire que l’énergie vient seulement du neutron incident est-il faux ?
Solution
Le neutron peut déclencher la transformation, mais l’énergie libérée provient surtout de la différence d’énergie de liaison et donc de masse entre l’état initial et les produits.