V. LA FISSION ET LA FUSION

Processus par lequel un noyau d’atome se brise en deux parties approximativement égales avec dégagement d’une grande quantité d’énergie.

La fission a été observée pour beaucoup de noyaux de nombre de masse A supérieur à 200 (ex. uranium 233, plutonium 239) et elle peut être engendrée par des neutrons, des photons, des électrons, des protons, des deutons et des particules alpha.  

Le premier phénomène de fission découvert fut celui de l’uranium bombardé par des neutrons. Avec des neutrons thermiques, l’effet est dû à l’uranium 235, présent seulement dans l’uranium naturel, à raison de 1 atome pour 139 atomes d’uranium 238.

En même temps que les gros fragments, des neutrons sont libérés durant la fission. Grâce à ces neutrons libres, la réaction de fission peut devenir, dans certaines conditions favorables, autoentretenue et conduire ainsi à une production continue d’énergie. C’est la base du fonctionnement des réacteurs.

La fission de l’uranium 235 par des neutrons thermiques produit une énergie d’environ 200 MeV.

Environ 85% de cette énergie apparaît sous forme d’énergie cinétique (énergie due à la vitesse d’un corps en mouvement) des produits de fission et se traduit finalement par un dégagement de chaleur. Cette énergie pourtant énorme ne représente cependant que 0.1% de l’énergie de masse contenue dans un noyau lourd. Autrement dit, le dégagement d’énergie provient d’une perte de masse de 1 pour 1000, et ce d'après la relation d’Einstein :

  E = m c ²

Si l’on pouvait fissionner tous les atomes de 1 kilogramme d’uranium 235, on obtiendrait une énergie égale à celle fournie par 3 millions de kilogrammes de charbon. Toutefois, nous avons vu que l’uranium naturel ne contient qu’une faible proportion d’uranium 235.

Afin de se rapprocher de la combustion théorique complète de tous les atomes contenus dans l’uranium, on utilise des piles régénératrices ou couveuses dans lesquelles la matière fertile produit plus de combustible qu’il n’en est brûlé.

Pour que la réaction en chaîne prenne un caractère explosif, il est nécessaire qu’il y ait un certain quantité d’uranium 235, c’est la masse critique.

Pour réaliser une bombe A, on calcule des masses sous-critiques, réunies en une seule masse critique pour déclencher l’explosion.

2.       LA FUSION 

Par la fusion des noyaux des éléments les plus légers, on provoque la formation de noyaux d’atomes lourds avec production d’énergie.

Pour que la réaction de fusion se produise, il faut que les noyaux en présence s’approchent à une distance comparable au rayon nucléaire. Il faut surmonter alors la répulsion électrostatique mutuelle des noyaux et leur communiquer des vitesses élevées. On réalise ces énergies cinétiques considérables en portant les noyaux à la température interne du soleil. (L’énergie solaire est d’ailleurs le résultat d’une réaction de fusion.) 

Dans la bombe thermonucléaire, la température nécessitée par la réaction (de l’ordre de 5 millions de degrés) est fournie par l’explosion préalable d’une bombe A.

Dans le domaine industriel, il faudrait que l’énergie libérée par la fusion soit supérieure à l’énergie employée pour l’échauffement du gaz. On cherche donc les moyens de produire des températures jamais atteintes jusqu’alors dans l’industrie.

   On peut utiliser le deutérium (D ou ²₁H), élément naturel isotope de l’hydrogène et dont le noyau (deuton) est un projectile utilisé dans les accélérateurs. Le deutérium est à la base de l’eau lourde.  

L’énergie libérée par la fusion, de tous les atomes contenus dans 1 gramme de gaz deutérium, équivaut à l’énergie libérée par la combustion d’environ 2 800 000 kilogrammes de charbon.

On peut également employer le tritium (T ou³₁H) radio-isotope de l’hydrogène, dont le noyau est le triton. Les réactions de fusion aboutissent à l’hélium He.

Le deutérium étant un élément constitutif de l’eau ordinaire (1/5000), l’eau de l’ensemble des mers représenterait au point de vue énergétique, la possibilité de vivre 10 milliards d’années avec la consommation actuelle d’énergie.