Le principe de la fission.

Définition :
    La fission nucléaire est un phénomène spontané ou provoqué au cours duquel le noyau d’un atome lourd, percuté par un neutron, est divisé en plusieurs noyaux plus légers et plusieurs neutrons, avec un fort dégagement d’énergie. On observe aussi une perte de masse.

Explication du principe de fission provoquée :
Des noyaux atomiques pouvant fissionner, ou atomes fissibles, sont ceux dont le numéro atomique est supérieur ou égal à 89 ; ils appartiennent à la famille des actinides. Les atomes lourds les plus souvent utilisés dans les centrales nucléaires sont l’uranium 233, l’uranium 235, le plutonium 239 et le plutonium 241. Etudions ici le cas de l’uranium 235, car il est le seul à se trouver à l’état naturel et est donc le plus fréquemment utilisé dans les centrales nucléaires.
Pour séparer un noyau d’uranium 235 en deux, on le met au contact de neutrons ; il finit par en capter un, et le noyau ainsi formé se désintègre en plusieurs fragments. La fission provoquée de l’uranium 235 par l’absorption d’un neutron peut se résumer en une équation bilan :

U est l’atome d’uranium. 235 est son nombre de masse, le nombre de nucléons qu’il contient dans son noyau ; ce nombre devient 236 suite à l’intégration du neutron dans le noyau ; 92 est son numéro atomique, son nombre protons ." n " est le neutron qui sera capté par le noyau d’uranium ; 1 est son nombre de masse ; 0 est son numéro atomique.
On obtient ensuite X et Y, deux nouveaux noyaux moyennement lourds, et généralement radioactifs qui se déplacent de quelques microns à 8000km/h. En plus de ces noyaux sont libérés un certain nombre k de protons, qui se déplacent à environ 20000 km/h et qui iront à leur tour provoquer la fission d’autres noyaux d’uranium contenus dans le réacteur : la fission nucléaire est donc une réaction en chaîne.
Ces produits de réaction, les noyaux X et Y peuvent être d’environ cent types différents lorsqu’ils sont libérés pendant la fission de l’uranium 235. Cependant, leur numéro atomique est toujours compris entre 33 et 59, et dans la plupart des cas, leur nombre de masse est proche de 95 ou de 139. On retrouve donc le plus souvent des produits identiques.

Energie libérée :
Ces éléments, en se déplaçant à haute vitesse produisent de l’énergie cinétique.
L’énergie de liaison est également libérée lors de la fission de l’atome puisqu’on rompt les liaison entre des nucléons en séparant le noyau en deux.
Une troisième énergie est libérée : l’énergie de masse, qui provient de la perte de masse observée entre les réactifs et les produits de la réaction. Elle constitue la majeure partie de l’énergie dégagée, et a été mise en évidence par Einstein, qui a élaboré une formule pour la calculer : E = mC², l’énergie de masse est égale au produit de la masse par la vitesse de la lumière au carré. Réalisons le calcul, pour le cas au cours duquel la fission d’un noyau d’uranium 235 engendre la formation d’un noyau de strontium, d’un noyau de xénon et de trois neutron, à partir de mesures de masses réalisées par des scientifiques.

Tableau de données :

« u », la mesure de masse présente dans ce tableau, est l’unité de masse atomique, égale à 1.66054 × 10^-27 kg. La vitesse de la lumière dans le vide qui sera utilisée pour le calcul est de C = 3 × 10^8m.s-1.

Calculons la différence de masse (Δm en kg) entre les réactifs et les produits de la réaction :
Δm = (muranium 235 + mneutron) – (mstrontium + mxénon + 3mneutron)
      = (234.9942 + 1.00866) – (93.8945 + 138.8892 + 3 × 1.00866) × 1.66054 × 10^-27
      ~ 3.20783 x 10^-28 kg

On peut donc maintenant calculer l’énergie libérée :
E = Δm × C ²
    = (3.20783 × 10-28) × (3 × 10^8)²
    = 3.20783 × 10-28 × 9 × 10^16
    ~ 2.8870 × 10^-11 Joules

Pour chaque réaction de fission d’un noyau d’uranium 235 percuté par un neutron, une énergie d’environ 2.9 × 10-11 Joules est dégagée.

L’uranium est fait de 235 nucléons, le neutron est fait d’un nucléon ; on peut donc calculer la production d’énergie par nucléon :

 (2.9 × 10^-11) / (235 + 1) ~ 1.2 × 10^-13 Joule.

Il y a donc une production d’énergie de 1.2 × 10^-13 Joule par nucléon participant à la réaction.