LA FISSION NUCLEAIRE
L'énergie nucléaire est crée par la fission nucléaire. Mais qu'est-ce que la fission et comment fonctionne-t-elle ?
La fission est le processus qui donne naissance à l'énergie nucléaire à partir du combustible. D'où son nom, la fission nucléaire a lieu à l'échelle du noyau des atomes composant le combustible.
Fission de l'Uranium 235
L'atome d'uranium 235 est l'atome le plus fissible, c'est-à-dire qu'il répond parfaitement aux exigences de la fission.
Pour démarrer la fission, on lâche un neutron libre dans l'uranium.
Le noyau 235U absorbe le neutron sous l'effet d'une force: l'interaction forte. L'interaction forte est une force attractive présente uniquement à l'intérieur du noyau, qui assure la cohésion de la matière nucléaire, en l'emportant sur la force répulsive due aux charges positives des protons.
On appelle cette absorption une capture nucléaire.
Une fois le neutron absorbé, lors du contact entre le neutron et le noyau d'uranium, le noyau va se scinder en deux, et ainsi créer deux nouveaux noyaux.
Ces deux noyaux, riches en neutrons et à l'état excité, vont libérer un (ou 2) neutron(s) chacun . De l’énergie, sous forme de chaleur, est également créée par cette transformation chimique qui peut se modéliser avec l'équation suivante :
Le Xénon (Xe) et le Strontium (Sr) sont les deux nucléides formés. Un nucléide est un type d'atome caractérisé par le nombre de protons et de neutrons. Il y en existe 80 différents, cependant la fission de l'Uranium 235 en produit seulement deux d'entre eux. On peut étudier leur probabilité d'être produit en s'appuyant sur des recherches réalisées.
On lit sur le graphique que les noyaux de nombre de masse 96 et 140 sont ceux qui ont la plus grande probabilité d'être produit lors de la fission.
Distribution des produits de fission de l'U235
Echelle de propabilité
Le nombre de neutrons émis varie de deux à trois pour une fission, avec une moyenne de 2,8.
Si ces neutrons émis ont une énergie cinétique suffisante, il vont à leur tour "casser" un autre noyau d'uranium selon le même schéma. Cette réaction est donc continue, c'est pour cette raison qu'elle est qualifiée de réaction en chaîne.
Schéma d'une fission
De plus, le nombre de fissions est croissant. Si on considère que chaque fission libère 2 neutrons, alors le nombre de fissions double à chaque génération.
Soit n le nombre de génération et Un le nombre de fissions, on obtient la suite géométrique :
On en déduit par exemple que pour 10 générations :
On peut ainsi modéliser la suite (Un) et tracer sa représentation graphique:
Nombre de fissions (Un)
Générations (n)
La masse critique est une notion qu'il faut prendre en compte pour assurer cette réaction en chaine.
Il s'agit de la quantité minimum de matériel fissible nécessaire pour que la réaction nucléaire en chaîne se maintienne. En effet, certains neutrons se perdent. Si les neutrons produits se perdent plus rapidement que ceux tout juste fomés, la réaction ne sera pas autonome et s'interrompra. Il faut donc tenir compte de cette masse critique.
La quantité de masse critique de matériel fissible dépend de divers facteurs à la fois: de propriétés physiques, nucléaires, géométriques et de pureté.
Par exemple, une sphère à la superficie minimum possible pour une masse donnée réduit la fuite de neutrons. Si la matière fissible est de plus contournée par un réflecteur, il est possible de perdre beaucoup moins de neutrons et la masse citique est réduite. Dans le cas contraire, il faudra non pas réduire mais augmenter cette masse critique. Des calculs sont donc constamment réalisés afin de prévoir cette masse critique.
Autres atomes fissibles :
Tous les atomes ne peuvent pas subir une fission nucléaire comme l'uranium 235 ; seulement quatre nucléides fissibles sont utilisés pour la fission nucléaire.
Il s'agit, en plus de l'U235 :
-
d'un nucléide naturel, l'uranium 233,
-
et de deux nucléides artificiels, le plutonium 237 et le plutonium 231
Pour chaque nucléide, le bilan énergétique sera toujours positif.
Il arrive également que certains noyaux subissent une fission sans aucune intervention externe. La probabilité par seconde que cette fission se
Le rôle des barres de contrôle
Il arrive que les neutrons issus de la fission soient trop rapides. Dans ce cas, ils sont facilement captés par l’isotope 238U.
La fission de cet isotope produit un nouvel isotope radioactif de l’uranium: l'uranium 239 :
L’isotope 239U va subir deux désintégrations successives nommées Beta- , ce qui va le faire se transformer en Neptunium 293N puis en Plutonium 239P.
Chacune de ces désintégrations émet un neutron et un antineutrino. On les modélise de la facon suivante :
Conservation de la charge :
92= Z-1
Z= 93
De même, conservation du nombre de nucléon: A= 239
Dans un deuxième temps vient la seconde désintégration (presque instantanément après la première) :
La conservation des charges et du nombre de nucléons s'appliquent:
93= Z'-1
Z'= 94
A'= 239
On obtient donc, après ces deux désintégrations B-, le nucléide
Donc pour que la fission de l'uranium 235 devienne prépondérante, et non celle de l'uranium 238, il faut ralentir les neutrons.
Plusieurs processus ont été mis en place pour permettre le ralentissement des neutrons, à commencer par l'ajout du modérateur. La fission du combustible se fait dans un milieu appelé milieu modérateur, c'est-à-dire qu'il modère et ralentit la vitesse des neutrons. Ce milieu est le plus souvent constitué d'eau ou de graphite. Ainsi, les neutrons sont ralentis lors des chocs avec les noyaux de ce milieu.
Néanmoins, le milieu modérateur ne suffit pas à lui seul, on l'associe alors à des barres de contrôle. Le rôle des barres de contrôle est de contrôler, comme son nom l'indique, la vitesse des neutrons de facon manuelle, et ainsi, de contrôler la réaction en chaîne.
Si la réaction en chaîne n'était pas ralentie grâce aux barres de contrôle, il y aurait non seulement un grand nombre de fission d'uranium 238, mais cela représenterait également un danger de taille. En effet, si cette réaction n'est pas constamment ralentie, cela entrainerait une surchauffe du réacteur, qui, s'il ne venait pas à etre refroidi, viendrait à exploser...
Ces barres de contrôle sont composées de bore ou de cadmium. Ce sont des matériaux qui sont capables d'absorber les neutrons, et diminuent donc le facteur de multiplication de ces-derniers.
Schéma des barres de contrôle dans le réacteur
On contrôle la fission par l'insertion ou le retrait de ces barres dans le combustible.
En cas de besoin d'arrêt d'urgence, il suffit de laisser tomber dans le coeur du réacteur les barres d'arrêt d'urgence maintenues en hauteur. Elles sont conçues sur le même principe que les barres de contrôle et stopperont immédiatement la réaction en chaîne.
Photo des barres de contrôle, ausi appelées "grappes de commande"
Energie libérée lors de la fission
Intéressons nous à l'énergie libérée lors d'une fission.
Nous savons, d'après la célèbre formule d'Albert Einstein, que l'énergie libérée est liée à la masse ainsi qu'à la vitesse de la lumière.
Nous savons également que :
Il faut dans un premier temps calculer la différence de masse entre les réacteurs et les produits de la fission.
Reprenons l'équation:
Soit la différence de masse notée :
La masse d'énergie libérée par une fission d'uranium 235 est donc de :
Dans un deuxième temps, nous pouvons calculer l'énergie libérée par cette fission :
Pour finir, multiplions par la constante d'avogadro afin de trouver l'énergie libérée par la fission d'une mole d'uranium 235 :
Nous obtenons donc l'énergie libérée par la fission d'une mole d'uranium 235.
Suite...