19.6: Fission nucléaire
De nombreux éléments plus lourds avec des énergies de liaison plus petites par nucléon peuvent se décomposer en éléments plus stables ayant des nombres de masse intermédiaires et des énergies de liaison plus grandes par nucléon, c'est-à-dire des nombres de masse et des énergies de liaison par nucléon qui sont plus proches du “ pic ” du graphique de l'énergie de liaison vers 56. Parfois, des neutrons sont également produits. Cette décomposition d'un gros noyau en plus petits morceaux est appelée fission. La décomposition est plutôt aléatoire avec la formation d'un grand nombre de produits différents. La fission ne se produit généralement pas naturellement, mais elle est induite par le bombardement avec des neutrons.
Une quantité énorme d'énergie est produite par la fission d'éléments lourds. Par exemple, lorsqu'une mole de U-235 subit une fission, les produits pèsent environ 0,2 gramme de moins que les réactifs ; cette masse “ perdue ” est convertie en une très grande quantité d'énergie — environ 1,8 × 1010 kJ par mole de U-235. Les réactions de fission nucléaire produisent des quantités incroyablement importantes d'énergie par rapport aux réactions chimiques. La fission de 1 kilogramme d'uranium 235, par exemple, produit environ 2,5 millions de fois plus d'énergie que la combustion de 1 kilogramme de charbon.
Lors de la fission, l'U-235 produit deux noyaux de “ taille moyenne ” et deux ou trois neutrons. Ces neutrons peuvent alors causer la fission d'autres atomes d'uranium 235, qui à leur tour fournissent plus de neutrons pouvant causer la fission d'encore plus de noyaux, et ainsi de suite. Si cela se produit, nous avons une réaction nucléaire en chaîne. D'autre part, si trop de neutrons s'échappent du volume de matériau sans interagir avec un noyau, aucune réaction en chaîne ne se produira.
Les matériaux pouvant subir une fission à la suite d'un bombardement par neutrons sont appelés fissiles ; les matériaux pouvant subir une fission à la suite d'un bombardement par des neutrons thermiques lents sont également appelés fissiles.
La fission nucléaire devient autosuffisante lorsque le nombre de neutrons produits par la fission est égal ou supérieur au nombre de neutrons absorbés par la division des noyaux plus le nombre qui s'échappe dans le milieu extérieur. La quantité d'un matériau fissile qui permettra une réaction en chaîne autosuffisante est une masse critique. Une quantité de matériau fissile qui ne peut pas supporter une réaction en chaîne est une masse sous-critique. Une quantité de matière dans laquelle il y a un taux croissant de fission est connue sous le nom de masse supercritique.
La masse critique dépend du type de matériau : sa pureté, la température, la forme de l'échantillon et la façon dont les réactions avec les neutrons sont contrôlées. Les matériaux deviennent généralement moins denses à des températures plus élevées, ce qui permet aux neutrons de s'échapper plus facilement. Les neutrons partant du centre d'un objet plat peuvent atteindre la surface plus facilement que les neutrons partant du centre d'un objet sphérique. Si le matériau est enfermé dans un récipient composé d'un matériau réfléchissant les neutrons comme le graphite, alors beaucoup moins de neutrons peuvent s'échapper, ce qui signifie que beaucoup moins de matériau fissile est nécessaire pour atteindre une masse critique.
Ce texte est adapté de Openstax, Chimie 2e, Section 21.4 : Transmutation et énergie nucléaire.
