redresse=1.67|vignette|Schéma animé d'une fission nucléaire stylisée selon le modèle de la goutte liquide. Un atome (disque rouge) est percuté par un neutron (point bleu). L'atome se scinde en deux autres atomes plus petits (fragments de fission, ou produits de fission). La réaction de fission émet plusieurs neutrons (typiquement deux ou trois).
La fission nucléaire est le phénomène par lequel un noyau atomique lourd (c'est-à-dire formé d'un grand nombre de nucléons — comme l'uranium, le plutonium) est scindé en deux ou en quelques nucléides plus légers. Cette réaction nucléaire s'accompagne de l'émission de neutrons (en général deux ou trois) et d'un dégagement d'énergie très important (≈ par atome fissionné (158,5 kWh/g d'uranium), donc beaucoup plus que celui des réactions chimiques, de l'ordre de l'eV par atome ou molécule réagissant). L'émission de neutrons peut entraîner une réaction en chaîne, phénomène mis en œuvre dans les centrales nucléaires pour la production d'électricité et dans les bombes atomiques.
Découverte
Le phénomène de fission nucléaire induite est décrit le par deux chimistes du Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie de Berlin : Otto Hahn et son jeune assistant Fritz Strassmann.. La physicienne autrichienne Lise Meitner participe aussi à cette découverte. Toutefois, étant juive, elle fuit l'Allemagne en pour se réfugier en Suède. Bien qu'ayant continué à participer aux recherches par correspondance (c'est elle qui a compris les implications des résultats de l'expérience déterminante et calculé l'énergie produite), elle n'est pas citée dans la publication...
Les résultats du bombardement de noyaux d'uranium par des neutrons sont alors déjà considérés comme dignes d'intérêt et tout à fait intrigants. Les principes théoriques avaient été étudiés par Enrico Fermi et ses collègues en 1934 mais ne furent donc correctement interprétés que plusieurs années plus tard.
Le , Niels Bohr arrive aux États-Unis pour passer plusieurs mois à l'université de Princeton, où il se hâte de discuter de certains problèmes théoriques avec Albert Einstein. Juste avant son départ du Danemark, deux de ses collègues, Lise Meitner et Otto Frisch, lui ont fait part de leur hypothèse selon laquelle l'absorption d'un neutron par un noyau d'uranium provoque parfois la scission de celui-ci en deux parties approximativement égales et la libération d'une énorme quantité d'énergie : ils nomment ce phénomène « fission nucléaire ». Cette hypothèse est fondée sur l'importante découverte de Hahn et Strassmann : le bombardement de l'uranium par des neutrons produit un isotope du baryum.
Bohr promet de garder secrète l'interprétation de Meitner et Frisch jusqu'à ce qu'ils publient un article afin de leur assurer la paternité de la découverte et de l'interprétation mais, à bord du bateau en route pour les États-Unis, il en parle avec Léon Rosenfeld, en oubliant de lui demander de respecter le secret.
Dès son arrivée, Rosenfeld en parle à tous les physiciens de l'université de Princeton. La nouvelle se répand ainsi à d'autres physiciens, tels Enrico Fermi de l'université Columbia. Les conversations entre Fermi, et débouchent, à Columbia, sur la recherche des rayonnements ionisants produits par les fragments du noyau d'uranium obtenus après cette fameuse « fission ».
Le se tient une conférence de physique théorique à Washington, organisée conjointement par l'université George-Washington et la Carnegie Institution de Washington. Fermi quitte New York pour participer à cette conférence avant le lancement des expériences de fission à Columbia. Bohr et Fermi discutent du problème de la fission et Fermi mentionne en particulier la possibilité que des neutrons puissent être émis durant le processus. Bien que ce ne soit qu'une hypothèse, ses conséquences, c'est-à-dire la possibilité d'une réaction en chaîne, paraissent évidentes. De nombreux articles à sensation sont publiés dans la presse à ce sujet.. Avant la fin de la conférence à Washington, plusieurs autres expériences sont lancées pour confirmer la thèse de la fission du noyau.
Le , dans la Physical Review, quatre laboratoires publient leurs résultats (université Columbia, Carnegie Institution de Washington, université Johns-Hopkins, université de Californie). Un mois plus tôt, Bohr savait que des expériences similaires avaient déjà été entreprises au Laboratoire de Copenhague (Danemark) (Lettre de Frisch à la revue Nature datée du et parue dans le numéro du ). Frédéric Joliot, à Paris, publie aussi ses premiers résultats dans les Comptes Rendus du . À partir de ce moment-là, la publication d'articles sur la fission devient régulière et intense au point que, dans la Review of Modern Physics du , L. A. Turner de Princeton en dénombre presque une centaine.
Phénomène Il existe deux types de fissions : la fission spontanée et la fission induite. La fission neutronique est une fission induite qui peut être soit thermique (où la particule induite est un neutron thermique ou lent) soit rapide (où la particule induite est un neutron rapide). Les noyaux atomiques pouvant fissionner sont dits « fissiles » (s'ils peuvent subir une fission avec des neutrons rapides ou lents) ou « fissibles » (s'ils peuvent subir une fission rapide).
La découverte de la fission de l'uranium 235 peut être décrite par l'intermédiaire du modèle de la goutte liquide. Un noyau est constitué de nucléons : les protons et les neutrons. Ces nucléons, outre leurs masses respectives, apportent une énergie de liaison au noyau donnée par la formule de Weizsäcker ; plus l'énergie de liaison est importante, plus le noyau est stable.
D'après le modèle de la goutte liquide, la fission est possible si la variation de masse entre deux noyaux issus du noyau est positive ou nulle. Cette condition est vraie si , ce qui correspond à la région du zirconium. Au-delà du rapport , le noyau est instable et fissionne spontanément.
Actuellement, la fission induite par des projectiles de faible énergie () a été observée pour quelques actinides, l', l' et l' ainsi que le et le .
Fission spontanée
Le phénomène de la fission spontanée est découvert en 1940 par G. N. Flerov et K. A. Petrzak, qui travaillaient sur des noyaux d'uranium 238.
On parle de fission nucléaire spontanée lorsque le noyau se désintègre en plusieurs fragments sans absorption préalable d'un corpuscule (particule subatomique). Ce type de fission n'est possible que pour les noyaux extrêmement lourds, car l'énergie de liaison par nucléon est alors plus petite que pour les noyaux moyennement lourds nouvellement formés.
L'uranium 235 (dans une très faible proportion cependant), les plutoniums 240 et 244 et surtout le californium 254 sont des noyaux spontanément fissiles.
Fission induite vignette|Exemple d'une fission nucléaire de l'. Il absorbe un neutron (représenté par le point bleu ciel en haut). Il devient uranium 236, puis se scinde en 92Kr et 141Ba et produit 3 neutrons (trois points bleu ciel en bas).
La fission induite a lieu lorsqu'un noyau lourd capture une autre particule (généralement un neutron) et que le noyau ainsi composé se désintègre alors en plusieurs fragments. La fission induite de l' par absorption d'un neutron est la réaction de ce type la plus connue. Elle est du type : + ⟶ ⟶ X + Y +
où X et Y sont deux noyaux moyennement lourds et généralement radioactifs, appelés produits de fission. Par exemple la fission induite d'un noyau d' peut donner deux produits de fission, le krypton et le baryum, accompagnés de deux ou trois neutrons : + ⟶ + + 3 .
Les fissions induites les plus couramment utilisées sont les fissions de l' et du .
Sous l'effet d'une collision avec un neutron, le noyau de certains gros atomes, dits fissiles, a la propriété de se casser en deux. La matière fissile qui constitue le cœur des réacteurs est en général de l'uranium ou du plutonium.. En absorbant un neutron, un noyau d'atome U se transforme ainsi en U, un isotope de l'uranium, dans un état excité de (avec = ). Il se comporte ainsi un peu comme une goutte d'eau.
Dans 16 % des cas, l'énergie est dissipée par rayonnement électromagnétique et le noyau d'U reste intact. Dans 84 % des cas, cette énergie suffit pour que le noyau puisse franchir la barrière de fission, de , et se fragmenter en deux autres noyaux comme le (Kr) et le (Ba). : + ⟶ ⟶ + + 3 ,
ou bien le strontium 94 et le xénon 140 : + ⟶ ⟶ + + 2 + .
Une importante quantité d'énergie est libérée lors de cette fission, de l'ordre de pour un noyau d'. La part principale de cette énergie est constituée par l'énergie cinétique des deux atomes créés, dia 2.. Elle s'accompagne en général de l'émission d'un ou de plusieurs neutrons rapides (généralement 2 ou 3) qui ont une énergie cinétique moyenne de , p. 4.. Ceux-ci réagissent avec les noyaux qu'ils rencontrent et sont soit diffusés, c'est-à-dire renvoyés dans une direction différente, soit absorbés. Tant que la probabilité d'absorption reste faible, les neutrons se conservent pratiquement en nombre, mais leur énergie décroît peu à peu à chaque diffusion. Les noyaux sont d'autant plus efficaces pour ralentir les neutrons que leur masse est plus faible, plus proche de celle du neutron. C'est en particulier le cas de l'eau ordinaire (qui contient de l'hydrogène, le meilleur des modérateurs/ralentisseurs de neutrons), l'eau lourde (eau dans laquelle n'a été conservé, grâce à une séparation isotopique, que l'isotope lourd de l'hydrogène, le deutérium), le béryllium (ou son oxyde, BeO, la glucine), et enfin le graphite (carbone pur).. Avec un modérateur efficace, les neutrons se ralentissent jusqu'à ce que leur énergie cinétique soit à peu près égale à l'énergie d'agitation thermique du milieu diffusant ( à la température de ). La plupart des fissions se produisent alors à cette énergie et le réacteur est dit « à neutrons thermiques ». Dans le cas contraire, le réacteur est dit « à neutrons rapides ».
Dans un réacteur thermique, la probabilité qu'une rencontre d'un neutron thermalisé avec un atome fissile donne lieu à la fission de l'atome rencontré est plus élevée que lorsque le neutron possède une énergie (une vitesse) élevée voisine de son énergie initiale. C'est principalement pour cette raison que dans un réacteur thermique, on cherche à ralentir les neutrons issus de fission pour les amener au niveau d'énergie (de vitesse) thermique.
Certaines captures de neutrons ne donnent pas lieu à la fission du noyau et l'importance relative de ces captures parasites doit être strictement limitée pour qu'une réaction en chaîne, divergente ou stationnaire, soit réalisée. Pour entretenir une réaction en chaîne, l'un des n neutrons produits à chaque fission devra à son tour être absorbé dans le combustible, les qui restent pouvant être perdus par capture dans les autres constituants du milieu, ou par fuite en dehors du dispositif. La quantité n dépend de l'énergie des neutrons. Dans le cas des neutrons thermiques, n est égal à 2,08 pour 235U et 239Pu, à 1,8 pour l'uranium enrichi, mais à 1,36 seulement pour l'uranium naturel, dia 9.. Le contrôle de la réaction en chaîne est assuré par l'insertion de barres de commande contenant des matériaux très absorbants des neutrons, généralement désignés : « absorbants mobiles de contrôle de la réactivité du cœur ». Les matériaux absorbants utilisés sont généralement le bore, le cadmium, l'argent, l'indium (sous forme d'un alliage spécial Ag-In-Cd), le hafnium, ainsi que d'autres matériaux (B4C…).
Photofission La photofission est un type de fission nucléaire induite qui se produit lorsqu'un noyau absorbe un rayonnement gamma.. Ce processus peut être utilisé pour la synthèse d'isotopes utilisés en médecine nucléaire..