Fission nucleara

La fission nucleara es un fenomèn radioactiu de scission d'un nuclèu atomic en dos nucleïds pus leugiers. S'acompanha d'un desgatjament important d'energia e de l'emission de particulas. Aqueu mecanisme a luòc d'un biais naturau en leis isotòps pus pesucs. Pasmens, pòu èsser entraïnat per una intervencion umana, generalament de tirs de neutrons, en d'autreis isotòps pesucs. Se la matèria fissibla es pron concentrada, es possible de crear una reaccion en cadena basada sus la multiplicacion rapida dau nombre de fissions entraïnadas per lei particulas liberadas per cada fission. L'energia desgatjada pòu èsser fòrça importanta e utilizada per produrre d'electricitat (centrala nucleara) ò d'armas (arma nucleara).

Istòria

La descubèrta de la fission

La fission nucleara foguèt descricha per lo premier còp lo 17 de decembre de 1938 per lei quimistas Otto Hahn (1879-1968) e Fritz Strassmann (1902-1980) qu'observèron la fission de l'urani[1]. Pasmens, aquò èra la conclusion de recèrcas pus ancianas qu'avián implicat de personalitats coma Enrico Fermi (1901-1954), lei Curie, Pavle Savic (1909-1994)[2], Ida Tacke (1896-1978)[3] e, mai que mai, Lise Meitner (1878-1968)[4].

Informat de la descubèrta per Meitner, Niels Bohr (1885-1962) difusèt la novèla ais Estats Units a son arribada dins lo país en genier de 1939. En particular, ne'n parlèt amb Albert Einstein (1879-1955). En parallèl, Irène Curie (1897-1956) e Frédéric Joliot (1900-1958) estudièron lo fenomèn. Lo 4 de mai de 1939, aquò menèt a l'enregistrament de tres brevets secrèts depintant la possibilitat d'utilizar l'energia nucleara per produrre d'energia e per fabricar d'armas[5]. Pasmens, lei projèctes francés de concepcion d'una arma nucleara foguèron arrestats per la desfacha de 1940.

Lei premierei reaccions en cadena e lo projècte Manhattan

Fotografia de la premiera pila atomica.
Article detalhat: Projècte Manhattan.

Lo concèpte de reaccion en cadena foguèt imaginat tre 1933 per lo fisician Leó Szilárd (1898-1964) que depausèt un brevet un an pus tard. En 1936, assaièt sensa succès de produrre una tala reaccion amb de berilli e d'indi. Lo concèpte foguèt afinat per Francis Perrin (1901-1992) en 1939 que calculèt la massa critica de l'urani e l'estimèt a 40 tonas[6]. La premiera reaccion en cadena foguèt finalament realizada lo 2 de decembre de 1942 per Fermi e Szilárd dins lo quadre dau Projècte Manhattan. Per aquò, foguèt concebuda una pila atomica contenent 36 tonas d'oxid d'urani, 6 tonas d'urani e 400 tonas de grafit. Aquò demostrèt la possibilitat de desvolopar d'aplicacions vertadieras de l'energia nucleara.

Lo Projècte Manhattan, iniciat tre 1939, venguèt pauc a pauc un programa centrau de l'esfòrç de guèrra estatsunidenc. En 1945, emplegava 130 000 personas despartits sus un vintenau de sites[7]. Son pretzfach principau foguèt la concepcion e la fabricacion dei premiereis armas nuclearas[8]. Dins aquò, lo projècte descurbiguèt lei possibilitats d'utilizacion dins lei domenis de la radiologia e de la propulsion de naviris.

Lo desvolopament dei programas nuclears civius e militars

Après la Segonda Guèrra Mondiala, plusors país s'interessèron a la fission nucleara per desvolopar d'aplicacions militaras e civilas a l'energia nucleara. Dins lo premier domeni, plusors país an desvolopat d'arsenaus nuclears amb l'invencion de la bomba A (1945) e de la bomba H (1949)[9]. Dins lo domeni civiu, leis aplicacions principalas regardèron l'energia e la medecina. En particular, lo mestritge de la fission foguèt a l'origina de l'aparicion dei centralas nuclearas. L'interès d'aquelei centralas foguèt demostrat per lei crisis petrolieras deis ans 1970 mai l'utilizacion de l'energia nucleara es contestada dempuei leis accidents de Chernobil e de Fukushima.

Descripcion

Dos mecanismes diferents de fission existisson. Lo premier es la fission espontanèa qu'es un fenomèn observat dins la natura. Lo segond es la fission inducha qu'es un mecanisme entraïnat per una accion umana.

Fission espontanèa

Exemple de fission espontanèa de l'urani-235.
Article detalhat: Fission espontanèa.

La fission espontanèa es una forma de desintegracion radioactiva caracteristica d'isotòps pesucs e instables. Entraïna la division dau nuclèu sensa apòrt energetic exterior. Mena a la formacion d'au mens dos atòms pus leugiers e generalament pus estables[10]. En teoria, es possibla per totei lei nuclèus aguent una massa superiora a 100 uma. Pasmens, dins lei fachs, es observada per de nuclèus de mai de 230 uma, es a dire per lo tòri e leis elements pus pesucs[11].

L'urani-235, lo plutòni-240 e lo califòrni-254 son d'exemples de nuclèus que pòdon èsser l'objècte d'una fission espontanèa.

Fission inducha

Exemple de fission nucleara inducha de l'urani-235.
Article detalhat: Fission inducha.

Mecanisme generau

La fission inducha a luòc quand un nuclèu pesuc captura una autra particula, generalament un neutron, e se fragmenta en mai d'un fragment. La pus coneguda es aquela de l'urani-235 après l'absorpcion d'un neutron :

X e Y son dos nuclèus mejanament pesucs e sovent radioactius. Son dichs « produchs de fission ». La quantitat d'energia liberada per aquelei reaccions es importanta e aqueu principi es utilizat dins leis armas nuclearas e lei centralas nuclearas per produrre una gròssa quantitat de calor.

Leis isotòps susceptibles d'engendrar una reaccion de fission après captura d'un neutron son dichs « isotòps fissibles ». D'efiech, lo neutron es la particula pus utilizada dins lei procès de fission concebuts per l'òme. Aquò s'explica per la facilitat de trobar de materiaus emetors de neutrons coma lo berilli e per son abséncia de carga electrica. Pasmens, d'estudis de mecanismes basats sus d'autrei particulas, coma lo proton per exemple, son totjorn en cors car podrián permetre de desvolopar de procès novèus[12].

Fotofission

Article detalhat: Fotofission.

Lo fotofission es un mecanisme de fission inducha entraïnat per l'absorpcion d'un raionament gamma per un nuclèu atomic. Es possible d'utilizar aqueu fenomèn per produrre d'isotòps particulars a partir de nuclèus fissibles, coma l'urani, lo plutòni e lo neptuni, per fabricar de fònts radioactivas destinadas a la medecina. De projèctes de fotofission per lasèr son tanben en cors de desvolopament per concebre de sistèmas de tractament dau combustible nuclear usat[13].

Fotodesintegracion

La fotodesintegracion (ò fototransmutacion) es un fenomèn relativament similar a la fotofission. D'efiech, dins aqueu fenomèn, un nuclèu atomic es portat dins un estat d'excitacion per l'absorpcion de raionaments gamma, çò qu'entraïna sa desintegracion e una emission de particulas subatomicas. A l'ora d'ara, leis experiéncias de fotodesintegracion utilizan de lasèrs poderós capables de desliurar de fotons gamma amb una energia compresa entre 1 e 10 MeV[14].

Bilanç neutronic

Article detalhat: Bilanç neutronic.
Nuclèu considerat Nombre mejan de neutrons liberats
233U
2,55
235U
2,47
Urani naturau
2,47
239Pu
2,91
241Pu
3,00

Lo bilanç neutronic designa lo bilanç dau nombre de neutrons produchs e dispareguts dins un mitan fissible donat. En mejana, lei nuclèus fissibles libèran entre dos e tres neutrons durant una fission. Aquelei neutrons pòdon traire de fissions novèlas en destabilizant un autre nuclèu fissible, èsser capturats per un nuclèu non fissible ò s'escapar en defòra dau mitan. Lo bilanç neutronic es donc un paramètre important que permet de descriure l'evolucion de la fission dins de reactors nuclears ò dins d'explosions d'armas nuclearas.

Reparticion dei massas dei produchs de fission

Article detalhat: Produch de fission.

La fission d'un nuclèu fissible entraïna generalament la formacion de dos nuclèus pus pichons. La formacion de tres nuclèus, dicha fission ternària, es possibla mai excepcionala (aperaquí 0,005 % dei fissions). La formacion de dos nuclèus identics, ò quasi identics, es egalament rara (0,1 % dei fissions). Generalament, la distribucion dei produchs de fission seguís una distribucion bimodala[15]. Per exemple, dins lo cas de la fission de l'urani-235, i a formacion preferenciala de nuclèus a l'entorn de nombres de massa egaus a 95 (bròme, cripton, zircòni) e 139 (iòde, xenon, bari). Pasmens, la formacion d'un centenau de nucleïds es estat observada.

Bilanç energetic

La fission nucleara libèra d'energia car la massa dei produchs de fission e dei particulas liberadas es inferiora a la massa dau nuclèu pesuc iniciau e de la particula eventuala utilizada per entraïnar una fission inducha. Per exemple, la fission espontanèa d'un nuclèu de plutòni-239 libèra una energia de 207,1 MeV per cada atòm fissionat[16]. La màger part d'aquela energia es producha sota forma d'energia cinetica transportada per lei nuclèus e lei particulas eissidas de la fission. La partida liberada sota forma de raionaments gamma es de 13 MeV.

La calor producha per la fission d'isotòps fissibles, generalament l'urani-235 e lo plutòni-239, es a la basa de l'utilizacion de l'energia nucleara.

Reaccion en cadena

Article detalhat: Reaccion en cadena.
Esquèma generau d'una reaccion en cadena.

L'absorpcion d'un neutron per un nuclèu fissible permet la liberacion d'un ò de plusors neutrons que pòdon traire de fissions suplementàrias. Aquò pòu engendrar un cicle de fissions capable de s'autoentretenir. Aqueu fenomèn es dich « reaccion en cadena ». Es possible de regular aqueu fenomèn per contrarotlar la liberacion d'energia dins un mitan fissible donat. Per aquò, es possible d'utilizar un dispositiu permetent de demenir la concentracion en combustible nuclear (alunchament de tròç de combustible) ò d'integrar de materiaus capables de capturar una partida dei neutrons liberats.

Energia de fission

L'energia liberada per lei reaccions de fission es fòrça importanta, çò qu'explica l'interès de l'energia nucleara dins la societat modèrna. Per exemple, dins lo cas de l'urani-235, una fission libèra 193 MeV. Es a dire qu'un grama d'urani-235 libèra 7,922 63.1010 J. Bòrd que l'urani-235 constituís 0,720 % de l'urani terrèstre, una massa d'urani naturau contèn mai de 8 000 còps l'energia contenguda dins una tona de petròli en cas d'utilizacion dins un reactor nuclear classic[17][18].

Massa critica

Article detalhat: Massa critica.

La massa critica d'una matèria fissibla donada es la massa minimala que permet d'entraïnar una reaccion en cadena. Despend dei proprietats nuclearas dau materiau considerat (probabilitat d'interaccion amb una particula, nombre de particulas liberadas...), de sei proprietats fisicas, de sa forma e de sa puretat. Per de substàncias puras dins lei condicions normalas de pression e de temperatura, son principalament calculadas per de reaccions de fission implicant de neutrons. Per l'urani-235, es egala a 48 kg. Pòu demenir fins a 10 kg per lo plutòni-238. Aquelei diferéncias explican l'utilizacion preferenciala de l'urani dins lei centralas nuclearas car sa produccion es mens costosa. En revènge, per d'aplicacions militaras, lo plutòni es preferit car permet de concebre d'ogivas pus leugieras e pus pichonas.

Annèxas

Liames intèrnes

Bibliografia

  • (fr) La Physique et les Éléments, Université de tous les savoirs, Odile Jacob, 2002.

Nòtas e referéncias

  1. ↑ (de) O. Hahn e F. Strassmann, « Über den Nachweis und das Verhalten der bei der Bestrahlung des Urans mittels Neutronen entstehenden Erdalkalimetalle », Naturwissenschaften, vol. 27, n° 1, 1939, pp. 11-15.
  2. ↑ (fr) I. Curie e P. Savitch, « Sur les radioéléments formés dans l'uranium irradié par les neutrons. II », Journal de Physique et le Radium, vol. 9, n° 9, setembre de 1938, pp. 355-359.
  3. ↑ (de) Ida Noddack, « Über das Element 93 », Zeitschrift für Angewandte Chemie, vol. 47, n° 37, 15 de setembre de 1934, pp. 653–655.
  4. ↑ Meitner fasiá partida de la còla que trabalhava amb Otto Hahn e aguèt un ròtle important dins la descubèrta de la fission. Pasmens, coma èra judieva, perdiguèt sa nacionalitat austriana après l'Anschluss e deguèt s'exiliar. En consequéncia, son nom foguèt pas associat a la publicacion anonciant la descubèrta.
  5. ↑ (fr) André Bendjebbar, Histoire secrète de la bombe atomique française, Cherche Midi, coll. « Documents », 2000.
  6. ↑ (fr) Francis Perrin, « Calcul relatif aux conditions éventuelles de transmutation en chaîne de l’uranium », Académie des sciences, 1èr de mai 1939.
  7. ↑ (en) Vincent Jones, Manhattan : The Army and the Atomic Bomb, United States Army Center of Military History, 1985, p. 344.
  8. ↑ (en) David Holloway, Stalin and the Bomb : The Soviet Union and Atomic Energy, 1939-1956, Yale University Press, 1994, pp. 59-60.
  9. ↑ Una bomba H es tanben dicha bomba de fusion car son explosion principala es basada sus de reaccions de fusion nucleara. Pasmens, per amorsar aqueu mecanisme, es necessari de produrre de condicions de temperatura e de pression extrèmas gràcias a l'explosion d'una bomba A (ò bomba de fission) utilizada coma « detonator » de la carga principala.
  10. ↑ Se lei nuclèus formats son pas pron estables, d'autrei mecanismes radioactius pòdon se debanar, compres una autra fission espontanèa.
  11. ↑ (en) Cyriel Wagemans, « Spontaneous fission », dins Cyriel Wagemans, The Nuclear Fission Process, CRC Press, 1991, pp. 37-38.
  12. ↑ (en) C. Schmitt, A. Lemasson, K.-H. Schmidt, A. Jhingan, S. Biswas, Y. H. Kim, D. Ramos, A. N. Andreyev, D. Curien, M. Ciemala, E. Clément, O. Dorvaux, B. De Canditiis, F. Didierjean, G. Duchêne, J. Dudouet, J. Frankland, B. Jacquot, C. Raison, D. Ralet, B.-M. Retailleau, L. Stuttgé, e I. Tsekhanovich, « Experimental Evidence for Common Driving Effects in Low-Energy Fission from Sublead to Actinides », Physical Review Letters, vol. 126, 2021.
  13. ↑ (fr) M. Sentis e O. Utéza (dir.), Lasers et Technologies Femtosecondes, publications de l’université de Saint-Étienne, 2005, pp. 69-80.
  14. ↑ (en) P. A. Norreys et al., Physics of Plasmas, vol. 6, 1999, p. 2150.
  15. ↑ (fr) Jacques Ligou, Introduction au génie nucléaire, PPUR, 1997, p. 54.
  16. ↑ (en) National Physical Laboratory, Kaye and Laby. Table of Physical and Chemical Constants, seccion 4.7 « Nuclear fission and fusion, and neutron interactions ».
  17. ↑ (fr) Jean-Romain Frisch, Abondance énergétique, mythe ou réalité?, Technip, 1986, p. 121.
  18. ↑ En cas d'utilizacion dins un reactor nuclear de neutrons rapids dotat d'un sistèma de refrejament utilizant de sòdi coma caloportaire, es possible de fissionar 99 % dei nuclèus d'urani. Dins aqueu cas, una tona d'urani naturau podriá liberar 500 000 còps l'energia contenguda dins una tona de petròli. Pasmens, en 2023, solament tres reactors d'aqueu tipe èran en servici car lo sòdi, element que reagís violentament amb l'oxigèn, es una causa frequenta d'incidents.