La fission nucléaire déclenche une réaction en chaîne grâce aux neutrons libérés
Publié par : Dr. Elena Kozlova — Rédactrice spécialisée en écologie & Énergie
La fission nucléaire divise un noyau atomique lourd en noyaux plus légers. Pour certains isotopes, cette division libère une grande quantité d’énergie et de nouveaux neutrons. Ces deux effets expliquent le fonctionnement des réacteurs nucléaires : la chaleur produit de l’électricité, tandis que le nombre de neutrons permet de contrôler la réaction en chaîne.
Ce qui se passe lorsqu’un noyau lourd se scinde
Un atome comprend un noyau composé de protons et de neutrons, entouré d’électrons. La fission se produit exclusivement dans le noyau. Les noyaux lourds, notamment ceux de l’uranium ou du plutonium, peuvent devenir instables et se fragmenter en deux noyaux plus petits, appelés produits de fission ou fragments de fission.
Dans le cas le plus courant, un noyau d’uranium 235 absorbe un neutron. Il forme alors brièvement un noyau d’uranium 236, excité et instable. Celui-ci se déforme, puis se sépare en deux fragments de masses différentes. Une fission ne produit donc pas toujours les mêmes éléments. Les fragments peuvent notamment inclure des noyaux de baryum, de krypton ou d’autres nucléides plus légers.
Cette rupture libère généralement deux ou trois neutrons, ainsi que des rayonnements ionisants. L’essentiel de l’énergie apparaît d’abord sous la forme du mouvement très rapide des fragments. En ralentissant dans la matière qui les entoure, ces fragments transfèrent leur énergie sous forme de chaleur. Une fission d’uranium 235 libère environ 202,8 MeV, une quantité considérable à l’échelle d’un atome.
Pourquoi l’énergie dégagée est-elle si importante ?
La fission transforme une très faible part de la masse initiale en énergie. Elle dépend de l’énergie de liaison, c’est-à-dire de l’énergie qui assure la cohésion des nucléons dans le noyau. Pour les noyaux très lourds, deux noyaux de taille moyenne peuvent être globalement plus stables que le noyau initial. La différence se retrouve sous forme d’énergie, conformément à l’équivalence entre masse et énergie.
À titre de comparaison, l’énergie des réactions chimiques se situe de l’ordre de l’eV par atome ou par molécule, alors que la fission se mesure en MeV. Ce changement d’échelle explique pourquoi une faible quantité de matière fissile peut produire beaucoup de chaleur. L’énergie libérée par chaque fission provient donc du noyau lui-même, et non d’une combustion comparable à celle d’un combustible fossile.
Fissile, fissible, spontané ou induit : les mots à ne pas confondre
La fission ne se produit pas de la même manière pour tous les noyaux lourds. Ces distinctions permettent de comprendre pourquoi certains isotopes sont utilisés dans les réacteurs et pourquoi le type de neutron joue un rôle important.
| Notion | Principe | Exemple ou conséquence |
|---|---|---|
| Fission spontanée | Le noyau se scinde sans intervention extérieure. | Ce phénomène est possible pour certains noyaux très lourds, mais il reste rare pour l’uranium 235. |
| Fission induite | La fission suit l’absorption d’un projectile, généralement un neutron. | C’est le mécanisme recherché dans un réacteur. |
| Noyau fissile | Il peut fissionner après la capture d’un neutron lent, dit thermique. | L’uranium 235 et le plutonium 239 sont des isotopes fissiles. |
| Noyau fissible | Il peut fissionner, mais nécessite parfois des neutrons plus énergétiques. | L’uranium 238 est fissible avec des neutrons rapides. |
Neutrons thermiques et neutrons rapides
Un neutron ne porte pas de charge électrique. Il n’est donc pas repoussé par la charge positive du noyau, contrairement à un proton. Cette absence de charge lui permet de s’approcher plus facilement du noyau. Sa vitesse influence toutefois fortement la probabilité d’être capturé et de provoquer une fission.
Dans de nombreux réacteurs, les neutrons issus de la fission sont rapides, avec une énergie cinétique moyenne d’environ 2 MeV. Un modérateur, souvent de l’eau, les ralentit afin d’augmenter les chances qu’ils provoquent une nouvelle fission de l’uranium 235. On parle alors de fission thermique.
L’eau qui circule dans le cœur d’un réacteur participe donc à deux fonctions : elle évacue la chaleur et ralentit les neutrons. La disposition du combustible, de l’eau et des matériaux absorbants modifie le parcours des neutrons. L’objectif est de maintenir un nombre moyen de fissions stable et prévisible dans l’ensemble du cœur, plutôt que de laisser la réaction évoluer sans contrôle.
La réaction en chaîne, un équilibre à maintenir
Chaque fission libère des neutrons susceptibles d’induire d’autres fissions. Si, en moyenne, un neutron issu d’une fission provoque une nouvelle fission, la réaction se maintient : elle est dite critique. Si trop peu de neutrons provoquent une fission, la réaction diminue. Si davantage de neutrons en provoquent, elle augmente. Dans une centrale, l’objectif est de conserver une réaction en chaîne contrôlée, adaptée à la puissance recherchée.
La réaction repose donc sur une succession d’interactions. Un neutron est absorbé par un noyau fissile, le noyau se scinde, puis deux ou trois nouveaux neutrons sont libérés. Une partie de ces neutrons peut être absorbée par d’autres matériaux, s’échapper du cœur ou ne pas provoquer de fission. Le contrôle du réacteur consiste à équilibrer ces différents phénomènes.
Le rôle distinct du modérateur et des barres de contrôle
Le modérateur ralentit les neutrons. Il ne joue donc pas le même rôle que les barres de contrôle. Ces dernières sont constituées de matériaux capables d’absorber les neutrons. En les insérant davantage dans le cœur, on réduit le nombre de neutrons disponibles pour entretenir la chaîne. De l’acide borique peut également contribuer à cette absorption dans certains réacteurs.
Ces dispositifs permettent de régler la réactivité ou d’arrêter la réaction de fission. Leur fonction est essentielle : un réacteur est un système surveillé dans lequel le combustible, le refroidissement, la modération et l’absorption neutronique agissent ensemble. Le modérateur favorise certaines fissions en ralentissant les neutrons, tandis que les barres de contrôle et l’acide borique limitent leur disponibilité.
Du cœur du réacteur à la prise électrique
La fission se produit dans le cœur du réacteur, où se trouvent les assemblages de combustible. Dans un réacteur à eau pressurisée, l’eau du circuit primaire prélève la chaleur sans bouillir grâce à sa forte pression. Elle transmet ensuite cette chaleur, dans un générateur de vapeur, à un circuit secondaire séparé.
L’eau du circuit secondaire se transforme en vapeur. Cette vapeur entraîne une turbine, qui fait tourner un alternateur. C’est l’alternateur qui produit l’électricité. Après la turbine, un condenseur refroidit la vapeur pour la ramener à l’état liquide et recommencer le cycle. Un circuit tertiaire assure le refroidissement du condenseur, sans se mélanger aux deux premiers circuits.
- Fission : les fragments ralentissent et dégagent de la chaleur.
- Transfert thermique : cette chaleur produit de la vapeur dans un circuit distinct.
- Conversion mécanique : la vapeur met la turbine en rotation.
- Production électrique : l’alternateur convertit la rotation en électricité.
La fission ne produit donc pas directement l’électricité. Elle fournit d’abord une chaleur, qui passe par plusieurs étapes avant d’atteindre la prise électrique. Le combustible chauffe le circuit primaire, le générateur de vapeur transmet cette énergie au circuit secondaire, puis la vapeur met en mouvement la turbine et l’alternateur.
Produits radioactifs, combustible et découverte de la fission
Les produits de fission sont souvent radioactifs. Ils se transforment progressivement par désintégration radioactive en émettant des rayonnements. Ils font partie des substances à gérer après l’utilisation du combustible, aux côtés d’autres matières radioactives issues du fonctionnement du réacteur.
Le confinement, le refroidissement et la gestion des matières accompagnent donc l’exploitation nucléaire. Les produits formés ne disparaissent pas au moment où la fission s’arrête : certains continuent d’évoluer par désintégration radioactive. Leur prise en charge fait partie du fonctionnement d’une installation nucléaire.
Pourquoi l’uranium 235 est-il privilégié ?
L’uranium naturel est composé d’environ 99 % d’uranium 238 et d’environ 0,7 % d’uranium 235, avec une quantité minime d’uranium 234. Or l’uranium 235 est fissile avec des neutrons thermiques. Dans l’exemple d’une centrale, le combustible est enrichi à environ 4 % en uranium 235 afin de rendre possible une réaction en chaîne contrôlée avec de l’eau comme modérateur.
L’uranium 238 n’a donc pas le même comportement que l’uranium 235 dans ces conditions. Il est fissible avec des neutrons rapides, tandis que l’uranium 235 peut fissionner après l’absorption d’un neutron thermique. Cette différence entre isotopes explique le choix du combustible et le rôle du modérateur dans un réacteur.
Une découverte établie entre 1938 et 1939
La fission induite de l’uranium a été mise en évidence le 17 décembre 1938 par Otto Hahn et Fritz Strassmann. Lise Meitner et Otto Frisch ont ensuite apporté l’interprétation théorique de ce résultat : le noyau d’uranium pouvait réellement se scinder en fragments plus légers.
Les résultats ont été publiés en 1939. Ils ont ouvert un vaste champ de recherches scientifiques, énergétiques et militaires. L’expérience, son interprétation et l’étude des neutrons libérés ont établi le lien entre la scission d’un noyau lourd, la libération d’énergie et la possibilité d’une réaction en chaîne contrôlée.
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