Chapitre 3: Fission et Fusion

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1 Chapitre 3: Fission et Fusion
1. Historique  1934 : Les Joliot-Curie utilisent les noyaux α pour produire des isotopes artificiels Fermi poursuit ces travaux, en utilisant des neutrons : il crée des isotopes radioactifs β- du fluor, aluminium, silicium, titane, zinc (40 au total). Capture d’un neutron Désintégration β- du noyau produit

2 Premiers éléments transuraniens
En 1934, le tableau périodique s’arrête à Z = 92 (Uranium) Fermi crée donc le premier élément artificiel lourd (transuranien) à Z = 93 (Neptunium) Il montre en outre que ce neptunium a des isotopes se désintégrant par la voie β- : l’élément Z = 94 (Plutonium) existe aussi, et d’autres avec des Z plus élevés aussi… En outre, Fermi montre que la capture de neutrons est plus efficace si les neutrons ont été ralentis auparavant par diffusion sur des atomes d’hydrogène (dans l’eau, la paraffine…)  les neutrons plus lents passent plus de temps près du noyau lourd, ce qui facilite leur capture

3 Fission spontanée 1938 : Otto Hahn et Fritz Strassmann découvrent du baryum (Z = 56) après désintégration de l’uranium :  ne correspond pas aux chaînes de désintégration connues 1939 : Lise Meitner et Otto Frisch l’interprètent par un phénomène de fission du noyau d’uranium en deux fragments, qui libère beaucoup d’énergie et un ou plusieurs neutrons. 1940 : observation directe de la fission spontanée d’uranium par Flerov et Petrjak

4 Fission induite 1942 : Fermi exploite ces neutrons pour les faire capturer par d’autres noyaux d’uranium et provoquer la première réaction en chaîne (Chicago) 1945 :

5 2. Phénoménologie de la fission
Modèle de la goutte liquide : les noyaux sont considérés comme étant des sphères de matière liquide de masse volumique 2, kg/m3 Une perturbation extérieure (impact d’un neutron) peut déformer le noyau et le rendre instable. Deux scénarii sont possibles : Fission Isomérie nucléaire

6 Quelle condition pour la fission ?
Goutte déformée Goutte non déformée donc R3 = ab² et on peut donc poser a = R(1+ε) et b = R(1+ε)-1/2 Pour les termes de surface et de volume de l’énergie de liaison : -as A2/3 devient -as A2/3 (1+2ε2/5) -acZ(Z-1)/A1/3 devient -acZ(Z-1)/A1/3(1-ε2/5)

7 Quelle est la forme favorisée ?
Si cette condition est respectée, alors la déformation est favorable puisque l’énergie de liaison sera augmentée : il y aura fission Avec les coefficients de la formule de Bethe Weizsäcker cela donne : Tous les noyaux vérifiant cette condition énergétique (Z >114 ; A > 270 ) vont donc se désintégrer par fission spontanée et ne pourront exister longtemps dans la nature D’autres noyaux ne vérifiant pas cette condition peuvent néanmoins fissionner…

8 Fission spontanée dans les noyaux stables vis-à-vis de la déformation
Si cette condition n'est pas respectée, les noyaux reviennent à la forme sphérique et ne fissionnent pas a priori Mais, énergétiquement parlant, les fragments d'une fission ont une énergie de liaison par nucléon plus grande que celle du noyau père Exemple : fission d'un noyau pair-pair en 2 fragments identiques : possible si : 2 EL(Y) - EL(X) > 0 Conclusion : fission spontanée d'un noyau pair-pair en 2 fragments identiques énergétiquement possible si Z(Z-1)/A > 16,59

9 Fission spontanée et effet tunnel
Comme dans la désintégration α, on considère deux fragments piégés dans le puits de potentiel de l'interaction forte :

10 Durée de vie / Energie de réaction
Le temps de vie de fission est lié exponentiellement à ΔEL donc à Z(Z-1)/A

11 3. Fission induite Pour les noyaux très lourds (Z>92), la barrière de fission est assez basse (<6 MeV). Si un neutron avec suffisamment d’énergie est capturé, le noyau composé (A augmenté de 1) est excité dans un état au dessus de la barrière de fission Le noyau se fragmente alors très rapidement. C’est donc une fission nucléaire provoquée ou induite.

12 Fission induite de l’uranium
En bombardant les noyaux de 235U et de 238U on peut provoquer les fissions de 236U et de 239U. Les hauteurs des barrières de fission EB pour 236U et 239U sont de 5,7 et 6,0 MeV, respectivement Expérimentalement, on n’a pas besoin d’utiliser des neutrons de cette énergie pour provoquer les fissions de 235U et de 238U. Pour 235U, des neutrons thermiques (Ec ≈ 0eV) suffisent. Pour 238U, une énergie cinétique de 1,2 MeV des neutrons est nécessaire.

13 Pourquoi une si faible énergie suffit ?
La capture du neutron libère une énergie de liaison ES qui se rajoute à l’énergie cinétique EC. La condition d’énergie pour la fission induite est donc: ES + EC > EB La capture d’un neutron par un noyau 235U relâche une énergie de liaison ES de 6,5 MeV, supérieure à la barrière de fission de 236U (EB = 5,7 MeV). Même les neutrons thermiques (EC≈0) peuvent donc provoquer la fission de 235U. La capture d’un neutron par un noyau 238U relâche une énergie de liaison ES de 4,8 MeV, inférieure à la barrière de fission de 239U (EB =6,0 MeV). Il faut donc des neutrons d’énergie cinétique EC > 1,2 MeV pour provoquer la fission de 238U (neutrons rapides)

14 Masse des fragments Pour des raisons de stabilité, les fragments n’ont pas un nombre de masse correspondant à la moitié de celui du noyau père :

15 Neutrons libérés par la fission
Le noyau père est plus éloigné de la ligne N = Z que les fragments (le rapport N/Z est plus élevé) Les fragments sont donc trop riches en neutrons. Soit ils reviennent à des isobares plus stables par des désintégrations β- successives Soit l’énergie de réaction est telle que un ou des neutrons libres peuvent être éjectés en emportant une énergie cinétique de 1 à 2 MeV (neutrons rapides). Ce dernier processus survient en 10-12s : il prédomine. S’il y a plus d’un neutron produit, on peut envisager sa capture par un autre noyau lourd et produire une réaction en chaîne

16 Bilan énergétique pour la fission de 235U
235U a une énergie de liaison/nucléon EL/A de 7,5 MeV Les fragments ont une énergie de liaison/nucléon de l’ordre de 8,4 MeV. Chaque désintégration libère donc 0,9 MeV/nucléon Pour 235 nucléons, on libère donc environ 200 MeV par noyau de 235U. 1g de 235U libère en fissionnant 1011J = 24MWh 1 tonne de charbon libère en brûlant 8,6 MWh  le rapport énergétique est de 1 pour 3 millions

17 Réaction en chaîne « idéale »
Les neutrons produits lors de chaque réaction peuvent être capturés par d’autres noyaux pour induire d’autres fissions. Par exemple, si on engendre 2 neutrons par fission, au bout de 80 générations, on aura 280 = 1, neutrons produits, suffisamment pour fissionner 2 moles de 235U (470g). Ces 80 générations sont atteintes en 10-7s En 10-7s on peut donc libérer 4, J, soit une puissance de 4, W !

18 Réaction en chaîne réelle
Le déroulement dépend dans la pratique : des énergies des neutrons émis dans la fission, de la « section efficace » de capture du neutron, d’autres voies de réactions du noyau combustible, de l’absorption et diffusion (ralentissement) des neutrons par des noyaux non-combustibles (« empoisonnement ») de l’échappement des neutrons facteur de multiplication k

19 Conditions de criticité
k <1, le processus est sous-critique. nombre de neutrons décroissant la chaîne de réaction s’arrête (arrêt d’un réacteur). k = 1, le processus est critique : nombre de neutrons constant après chaque génération taux de fission donc d’énergie libérée continu et constant. condition de travail d’un réacteur nucléaire. k >1, le processus est sur-critique: nombre de neutrons produits croissant à chaque génération l’énergie relâchée augmente très rapidement Sous contrôle : démarrage d’un réacteur nucléaire, Sinon : explosion… (bombe nucléaire).

20 Isotopes fissiles et fertiles
Isotope fissile : qui peut fissionner après capture d’un neutron thermique Ex : 235U (seul naturel) 233U; 238Np, 239Pu, 241Am, 242Cm… (artificiels) Isotope fertile : qui peut produire un isotope fissile suite à la capture d'un neutron, directement ou après une désintégration β. Ex : 238U et 232Th (naturels) (qui donnent respectivement 239Pu et 233U après 2 β) 234U, 239Pu, 241Am, 242Cm… (artificiels)

21 Ralentissement des neutrons
Les neutrons issus de la fission sont rapides (EC = 1 à 2 MeV) Ils ne sont pas efficacement capturés car passent trop peu de temps près des noyaux On utilise des modérateurs pour les ralentir (eau, paraffine, graphite) Après ralentissement, les neutrons sont thermiques et peuvent être capturés par les noyaux fissiles.

22 Cycle des neutrons dans un réacteur

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26 4. La fusion thermonucléaire
Les noyaux légers ont une énergie de liaison par nucléon inférieure à celle des noyaux moyens. Il est donc énergétiquement favorable que 2 noyaux légers fusionnent pour en faire un moyen Mais : pour faire fusionner deux noyaux légers, il faut vaincre l’énergie de répulsion coulombienne Si R ≈ 1,24 A1/3 (fm), cette barrière est de : VCoulomb est de l’ordre du MeV pour Z≤2 et A≤4 Z et Z’ numéros atomiques des deux noyaux ; R et R’ leur rayon respectif

27 Réaliser la fusion de deux noyaux légers
Dans un accélérateur de particules : les noyaux légers ont une énergie cinétique suffisante, mais rebondissent avant de réagir Augmenter la température permet de conférer une énergie d’agitation thermique moyenne : E = kBT La température nécessaire pour 1 MeV serait 1010 K ! Au centre du soleil, il ne règne que K, pourtant des fusions y ont lieu !

28 Température / Energie des particules
VCoulomb ≈ 0,7MeV pour Z=1 et A=1 : si deux protons ont la moitié de cette énergie, leur collision provoquera une fusion 1 proton du cœur du soleil parmi qq 1013 possède cette énergie même si T=15.106K il y a 1056 atomes d’hydrogène dans le soleil : 1043 d’entre eux peuvent fusionner

29 Bilan : Chaîne proton-proton dans le soleil
1H + 1H → 2H + e+ + νe + 0,42 MeV e+ + e- → 2γ + 1,02 MeV 2H + 1H → 3He + γ + 5,49 MeV 3He +3He → 4He + 1H + 1H + 12,86 MeV Bilan :

30 Cycle CNO dans le soleil

31 Fusion thermonucléaire contrôlée
On diminue la barrière de Coulomb en travaillant avec des isotopes lourds de l’hydrogène : La réaction deutérium-tritium libère une grande énergie et a une faible barrière de Coulomb Le deutérium est très abondant (abondance 1/6000) Le tritium est fabriqué par capture neutronique du lithium : Les réserves de lithium mondiales sont de 11 millions de tonnes, largement suffisantes pour des millénaires d’énergie de fusion, mais concurrence avec les batteries…

32 Réacteur de fusion contrôlée : ITER

33 Réacteur de fusion contrôlée :
Laser Mégajoule (France) ; HiPER (Europe)

34 Réacteur de fusion contrôlée :
Laser Mégajoule (France) ; HiPER (Europe)

35 Fusion incontrôlée : bombe H
A : étage de la fission B : étage de la fusion 1. Lentilles d'explosifs à haute puissance 2. Uranium 238 (« tampon ») 3. Vide (« lévitation ») 4. Gaz de tritium (« surcharge », en bleu) enfermé dans un cœur évidé de plutonium ou d'uranium 5. Mousse de polystyrène 6. Uranium 238 (« tampon ») 7. Deutérure de lithium 6 (combustible de la fusion) 8. Plutonium (allumage) 9. Enveloppe réfléchissante (réfléchit les rayons X vers l'étage de fusion)

36 Fusion incontrôlée : bombe H
A : Bombe avant explosion  B : L'explosif haute puissance détone dans le primaire, comprimant le plutonium en mode supercritique et démarrant une réaction de fission. C : Le primaire émet des rayons X qui sont réfléchis à l'intérieur de l'enveloppe et irradient la surface du tampon D : Les rayons X vaporisent la surface du tampon, comprimant le secondaire, et le plutonium commence une fission. E : Comprimé et chauffé, le deutérure de lithium 6 entame une réaction de fusion et un flux de neutrons démarre la fission du tampon. Une boule de feu commence à se former

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