teurs d’imaginer le principe et le fonctionnement des « piles atomiques », et un certain nombre de brevets furent pris dans ce domaine dès 1940.
Fission du noyau d’uranium 235
y Que se passe-t-il quand un neutron thermique vient frapper un noyau
d’uranium 235 (0,7 p. 100 dans l’uranium naturel) ?
— Le neutron peut rebondir sur le noyau, il est dévié et éventuellement ralenti : c’est un choc élastique.
— Le neutron peut être absorbé par le noyau, qui, un instant excité, émet le plus souvent un rayonnement gamma : c’est une capture.
— Le noyau peut se briser brutalement en deux, ou exceptionnellement en trois ou quatre morceaux : c’est le phénomène de fission.
La réaction s’écrit :
Trois résultats apparaissent dans la
cassure du noyau considéré :
— la formation de produits de fission primaires ;
— une éjection de 2 ou 3 neutrons ;
— un grand dégagement d’énergie.
Le neutron incident thermique donne naissance à un noyau d’uranium 236
qui subit une fission.
y Quelle est l’origine du premier neutron ?
Le phénomène est en général pro-
voqué. Dans ce cas, on dispose d’une source qui peut produire des « bouffées » de neutrons : c’est par exemple une petite ampoule contenant de la poudre de béryllium et du radon, qui est émetteur alpha ; la réaction s’écrit : Un millicurie de radon donne
25 000 neutrons par seconde.
Le phénomène peut être aussi spontané. Les éléments lourds possèdent une certaine probabilité de se fissionner spontanément ; cette probabilité est très faible pour un noyau considéré ; dans le cas de l’uranium 235, il se produit en moyenne 40 fissions spontanées par minute et par gramme de matière.
y Les produits de fission. La fission peut se produire de 30 à 40 manières différentes. Chaque couple de produits de fission primaires produit en moyenne une dizaine de descendants, si bien qu’au total il y a 300 à 400 produits de fission, qui, en général, sont solides à la température ordinaire et dont les numéros atomiques Z sont compris approximativement entre 30
(zinc) et 63 (europium).
Les produits de fission primaires n’ont pas tous la même probabilité de formation. Le noyau d’uranium donne généralement naissance à deux noyaux d’éléments nouveaux, qui vont se ré-
partir en deux groupes :
— un premier groupe de produits de fission légers, pour lesquels le nombre de masse A est compris approximativement entre 85 et 105 ;
— un second groupe de produits
de fission lourds, pour lesquels 130 < A < 150 ; si bien que les nombres downloadModeText.vue.download 374 sur 625
La Grande Encyclopédie Larousse - Vol. 14
7817
de masse des deux produits de fission primaires se groupent autour des deux valeurs moyennes, 96 et 140.
On aura par exemple : krypton et
baryum, rubidium et césium, ..., zirco-nium et tellure.
Les produits de fission sont radioactifs : c’est le résultat le plus important ; les phénomènes de désintégration sont complexes. Les produits de fission primaires et ceux qui en découlent pré-
sentent un excédent de neutrons qui se transforment en protons en donnant une émission de négatons :
Cette réaction explique la radioactivité bêta des produits de fission, à laquelle s’ajoutent la plupart du temps une émission de gamma et quelquefois une émission de neutrons.
Les périodes de ces produits de fission sont très variables, elles vont de la fraction de seconde jusqu’au million d’années.
Les produits à courte période (minute et seconde) sont de beaucoup les plus nombreux.
Une vingtaine seulement ont des
périodes longues.
Donnons un exemple. Supposons
que la cassure d’un noyau d’ura-
nium 235 donne du krypton 91 et
du baryum 143. Le krypton possède 5 neutrons en excès par rapport à son isotope stable le plus voisin, il se transforme en rubidium 91, et ainsi de suite.
y Éjection de neutrons. Quand un
neutron thermique casse un noyau
d’uranium 235, il y a éjection en moyenne de 2 ou 3 neutrons de seconde génération. Les neutrons de la seconde génération, comme le neutron initial, peuvent subir différentes
destinées :
— ou bien rebondir ;
— ou bien être simplement absorbés ;
— ou bien provoquer de nouvelles fissions en cassant à leur tour les noyaux des atomes voisins.
Toutes ces générations de neutrons entretiennent ce que l’on appelle la réaction en chaîne.
La presque totalité (99 p. 100) des neutrons sont émis au moment même de la fission (neutrons prompts) ; ils ont des énergies propres différentes, et des courbes (appelées spectres de fission) donnent le pourcentage des neutrons en fonction de l’énergie.
Mais il existe aussi quelques rares neutrons retardés ou différés (moins de 1 p. 100) qui apparaissent après un temps pouvant varier entre une fraction de seconde et une minute, et qui proviennent de décroissances radioactives de produits de fission. Les neutrons différés, que l’on peut classer en différents groupes, jouent un rôle très important dans le contrôle des réacteurs nucléaires.
Remarquons que si le neutron ini-
tial est thermique, les neutrons éjectés sont rapides ; pour qu’à leur tour ils puissent fissionner les noyaux voisins, il faut les ralentir ; on y parvient, dans les réacteurs nucléaires, à l’aide du modérateur (graphite ou eau lourde), lequel permet donc à la réaction en chaîne de se poursuivre.
y Énergie libérée dans la fission.
Quand un neutron thermique fissionne un noyau d’uranium 235, on constate un grand dégagement d’énergie éva-lué approximativement à 200 MeV.
Le bilan de l’énergie libérée montre que :
— les produits de fission sont animés d’une grande vitesse, laquelle peut atteindre plusieurs milliers de km/s pour des fragments de fission de 1 MeV ;
— une fraction importante de l’énergie est libérée sous forme de rayonnement.
Substances fissiles et substances fertiles
La plupart des éléments de masse atomique supérieure à 220 sont fissiles, mais les plus intéressants sont ceux qui le sont sous l’action des neutrons thermiques. Parmi ceux-ci sont utilisés l’uranium 235, le plutonium 239 et éventuellement l’uranium 233.
a) Avec l’uranium 235, pour que la fission se produise, il faut donc que le neutron incident soit thermique, c’est-à-dire qu’il ait une énergie bien déterminée : 1/40 eV. L’uranium 235
est le combustible nucléaire par excellence de tous les réacteurs nucléaires à neutrons lents ou thermiques, par opposition aux réacteurs dits « intermédiaires » ou « à neutrons rapides ».
b) Avec l’uranium 238, le neutron incident est absorbé et donne de l’uranium 239 ; celui-ci, émetteur de rayon-downloadModeText.vue.download 375 sur 625
La Grande Encyclopédie Larousse - Vol. 14
7818
nement bêta (période de 23,5 mn), transmute en neptunium 239, lequel, émetteur également de rayonnement bêta (période de 2,3 j), donne naissance au plutonium 239 :
Le plutonium 239 est un émetteur
alpha ; sa période étant très grande (24 000 ans), on peut le considérer comme stable. L’uranium 238 apparaît donc comme le grand-père du plutonium ; on dit qu’à défaut d’être un matériau fissile comme l’uranium 235
l’uranium 238 est un matériau fertile.
c) L’uranium 233, matière fissile, s’obtient en partant du thorium 232, matière fertile, par un processus analogue au précédent.
(Périodes du thorium 233, 23,5 mn ; du protactinium 233, 27,4 j.)
d) Dans les réacteurs nucléaires à uranium naturel, la fission de l’uranium 235 produit des neutrons, lesquels, en agissant sur l’uranium 238, produisent du plutonium 239.
On consomme donc un combustible : l’uranium 235, pour en récupé-
rer un autre : le plutonium 239. Dans ce que l’on appelle les « breeders », on produira plus de combustible que l’on en consommera.