Réactions de fission nucléaire- les réactions de fission, qui consistent dans le fait qu'un noyau lourd, sous l'influence de neutrons, et, comme il s'est avéré plus tard, d'autres particules, est divisé en plusieurs noyaux plus légers (fragments), le plus souvent en deux noyaux de masse similaire.
Une caractéristique de la fission nucléaire est qu'elle s'accompagne de l'émission de deux ou trois neutrons secondaires, appelés neutrons de fission. Puisque pour les noyaux moyens, le nombre de neutrons est approximativement égal au nombre de protons ( N/Z ≈ 1), et pour les noyaux lourds, le nombre de neutrons dépasse largement le nombre de protons ( N/Z ≈ 1.6), les fragments de fission résultants sont alors surchargés de neutrons, ce qui entraîne la libération de neutrons de fission. Cependant, l'émission de neutrons de fission n'élimine pas complètement la surcharge des noyaux fragmentés en neutrons. Cela rend les fragments radioactifs. Ils peuvent subir une série de transformations β, accompagnées de l'émission de quanta γ. Puisque la désintégration β s'accompagne de la transformation d'un neutron en proton, alors après une chaîne de transformations β, le rapport entre les neutrons et les protons dans le fragment atteindra une valeur correspondant à un isotope stable. Par exemple, lors de la fission d'un noyau d'uranium U
U+ n → Xe + Sr +2 n(265.1)
fragment de fission Xe, à la suite de trois actes de désintégration β, se transforme en isotope stable du lanthane La :
Il h → Cs → Ba → La.
Les fragments de fission peuvent être divers, la réaction (265.1) n'est donc pas la seule conduisant à la fission de U.
La plupart des neutrons de fission sont émis presque instantanément ( t≤ 10 –14 s), et une partie (environ 0,7 %) est émise par les fragments de fission quelque temps après la fission (0,05 s ≤ t≤ 60 s). Les premiers d'entre eux s'appellent instantané, deuxième - en retard. En moyenne, chaque événement de fission produit 2,5 neutrons. Ils ont un spectre d'énergie relativement large allant de 0 à 7 MeV, avec une énergie moyenne d'environ 2 MeV par neutron.
Les calculs montrent que la fission nucléaire doit également s'accompagner de la libération d'une grande quantité d'énergie. En fait, l’énergie de liaison spécifique des noyaux de masse moyenne est d’environ 8,7 MeV, tandis que celle des noyaux lourds est de 7,6 MeV. Par conséquent, lorsqu’un noyau lourd se divise en deux fragments, une énergie égale à environ 1,1 MeV par nucléon devrait être libérée.
La théorie de la fission des noyaux atomiques (N. Bohr, Ya. I. Frenkel) est basée sur le modèle des gouttelettes du noyau. Le noyau est considéré comme une goutte de liquide incompressible chargé électriquement (de densité égale à celle du nucléaire et obéissant aux lois de la mécanique quantique), dont les particules, lorsqu'un neutron frappe le noyau, entrent dans un mouvement oscillatoire, à la suite duquel le noyau est déchiré en deux parties, se dispersant avec une énorme énergie.
La probabilité de fission nucléaire est déterminée par l'énergie des neutrons. Par exemple, si les neutrons de haute énergie provoquent la fission de presque tous les noyaux, alors les neutrons d'une énergie de plusieurs mégaélectronvolts provoquent la fission uniquement des noyaux lourds ( UN>210), les neutrons ayant énergie d'activation(l'énergie minimale nécessaire pour réaliser une réaction de fission nucléaire) de l'ordre de 1 MeV, provoque la fission des noyaux d'uranium U, de thorium Th, de protactinium Pa, de plutonium Pu. Les neutrons thermiques fissifient les noyaux de U, Pu et U, Th (les deux derniers isotopes n'existent pas dans la nature, ils sont obtenus artificiellement).
Les neutrons secondaires émis lors de la fission nucléaire peuvent provoquer de nouveaux événements de fission, ce qui permet de réaction en chaîne- une réaction nucléaire dans laquelle les particules provoquant la réaction se forment comme produits de cette réaction. La réaction de fission en chaîne est caractérisée par facteur de multiplication k neutrons, qui est égal au rapport entre le nombre de neutrons dans une génération donnée et leur nombre dans la génération précédente. Une condition nécessaire car le développement d’une réaction de fission en chaîne est exigence k ≥ 1.
Il s'avère que tous les neutrons secondaires produits ne provoquent pas une fission nucléaire ultérieure, ce qui entraîne une diminution du facteur de multiplication. Premièrement, en raison des dimensions finies cœur(l'espace où se produit une réaction précieuse) et la grande capacité de pénétration des neutrons, certains d'entre eux quitteront la zone active avant d'être capturés par un noyau. Deuxièmement, certains neutrons sont capturés par les noyaux d'impuretés non fissiles, toujours présentes dans le cœur. De plus, parallèlement à la fission, des processus concurrents de capture radiative et de diffusion inélastique peuvent avoir lieu.
Le coefficient de multiplication dépend de la nature de la substance fissile, et pour un isotope donné, de sa quantité, ainsi que de la taille et de la forme de la zone active. Les dimensions minimales de la zone active dans lesquelles une réaction en chaîne est possible sont appelées tailles critiques. La masse minimale de matière fissile située dans un système de dimensions critiques requise pour mettre en œuvre réaction en chaîne, appelé masse critique.
La vitesse de développement des réactions en chaîne est différente. Laisser T- temps moyen
la vie d'une génération, et N- le nombre de neutrons dans une génération donnée. Dans la génération suivante, leur nombre est égal kN,T. e. augmentation du nombre de neutrons par génération dN = kN – N = N(k- 1). L'augmentation du nombre de neutrons par unité de temps, c'est-à-dire le taux de croissance de la réaction en chaîne,
. (266.1)
En intégrant (266.1), on obtient
,
Où N 0 est le nombre de neutrons à l’instant initial, et N- leur numéro à la fois t. N déterminé par le signe ( k- 1). À k>1 arrive développer une réaction, le nombre de fissions augmente continuellement et la réaction peut devenir explosive. À k=1 va réaction auto-entretenue dans lequel le nombre de neutrons ne change pas avec le temps. À k <1 идет réaction qui s'estompe
Les réactions en chaîne comprennent des réactions contrôlées et incontrôlables. L’explosion d’une bombe atomique, par exemple, est une réaction incontrôlée. Pour empêcher une bombe atomique d'exploser pendant le stockage, l'U (ou Pu) qu'elle contient est divisé en deux parties distantes l'une de l'autre avec des masses inférieures au point critique. Ensuite, à l'aide d'une explosion ordinaire, ces masses se rapprochent, la masse totale de la substance fissile devient supérieure à la masse critique et une réaction en chaîne explosive se produit, accompagnée de la libération instantanée d'une énorme quantité d'énergie et d'une grande destruction. . La réaction explosive commence grâce aux neutrons disponibles provenant de la fission spontanée ou aux neutrons provenant du rayonnement cosmique. Des réactions en chaîne contrôlées se produisent dans les réacteurs nucléaires.
En raison de la neutralité électrique des neutrons.2. Quelle énergie est appelée énergie produite par la réaction ? Comment estimer le rendement énergétique d’une réaction de fission ?
Le rendement énergétique total d’une réaction de fission est l’énergie libérée lors de la fission d’un noyau d’uranium. L'énergie de liaison spécifique d'un nucléon dans le noyau de l'uranium 235 est d'environ 7,6 MeV et celle des fragments de réaction est d'environ 8,5 MeV. À la suite de la fission, (8,5 - 7,6) MeV = 0,9 MeV (par nucléon) est libéré. Il y a 235 nucléons au total, alors le rendement énergétique total de la réaction de fission est
3. Quelle valeur caractérise la vitesse d'une réaction en chaîne ? Notez la condition nécessaire au développement d'une réaction en chaîne.
Le facteur de multiplication des neutrons k caractérise la vitesse de la réaction en chaîne. Une condition nécessaire au développement d’une réaction en chaîne4. Quelle réaction de fission est appelée auto-entretenue ? Quand cela se produit-il ?
Une réaction de fission nucléaire auto-entretenue se produit si un nouveau neutron parvient à se former à la suite de la réaction de fission pendant le temps où le neutron traverse un milieu de taille linéaire l.5. Évaluer la taille critique du noyau et la masse critique.
Le volume du cylindre est
N est la concentration de noyaux. Le nombre de collisions d'un neutron avec des noyaux par unité de temps n.
Fission nucléaire- le processus de division d'un noyau atomique en deux (moins souvent trois) noyaux de masses similaires, appelés fragments de fission. À la suite de la fission, d'autres produits de réaction peuvent également apparaître : des noyaux légers (principalement des particules alpha), des neutrons et des rayons gamma. La fission peut être spontanée (spontanée) et forcée (résultant d'une interaction avec d'autres particules, principalement avec des neutrons). La fission des noyaux lourds est un processus exothermique, à la suite duquel une grande quantité d'énergie est libérée sous forme d'énergie cinétique des produits de réaction, ainsi que de rayonnement. La fission nucléaire sert de source d'énergie dans les réacteurs nucléaires et les armes nucléaires. Le processus de fission ne peut se produire que lorsque l'énergie potentielle de l'état initial du noyau en fission dépasse la somme des masses des fragments de fission. Étant donné que l'énergie de liaison spécifique des noyaux lourds diminue avec l'augmentation de leur masse, cette condition est remplie pour presque tous les noyaux de nombre de masse .
Cependant, comme le montre l’expérience, même les noyaux les plus lourds se divisent spontanément avec une très faible probabilité. Cela signifie qu'il existe une barrière énergétique ( barrière à fission), empêchant la division. Plusieurs modèles sont utilisés pour décrire le processus de fission nucléaire, y compris le calcul de la barrière de fission, mais aucun d'entre eux ne peut expliquer complètement le processus.
Le fait que de l'énergie soit libérée lors de la fission des noyaux lourds découle directement de la dépendance de l'énergie de liaison spécifique ε = E léger (A,Z)/A à partir du nombre de masse A. Lorsqu'un noyau lourd se fissure, des noyaux plus légers se forment dans lesquels les nucléons sont plus fortement liés, et une partie de l'énergie est libérée lors de la fission. En règle générale, la fission nucléaire s'accompagne de l'émission de 1 à 4 neutrons. Exprimons l'énergie de fission Q en termes d'énergies de liaison des noyaux initial et final. On écrit l'énergie du noyau initial, constitué de Z protons et N neutrons, et ayant une masse M(A,Z) et une énergie de liaison E st (A,Z), sous la forme suivante :
M(A,Z)c 2 = (Zm p + Nm n)c 2 - E St (A,Z).
La division du noyau (A,Z) en 2 fragments (A 1,Z 1) et (A 2,Z 2) s'accompagne de la formation de N n = A – A 1 – A 2 neutrons rapides. Si un noyau (A,Z) se divise en fragments avec des masses M 1 (A 1 ,Z 1), M 2 (A 2 ,Z 2) et des énergies de liaison E св1 (A 1,Z 1), E св2 (A 2 , Z 2), alors pour l'énergie de fission on a l'expression :
Q div = (M(A,Z) – )c 2 = E St 1 (A 1 ,Z 1) + E St (A 2 ,Z 2) – E St (A,Z),
A = A 1 + A 2 + N n, Z = Z 1 + Z 2.
23. Théorie élémentaire de la fission.
En 1939 N. Bor Et J. Wheeler, et Ouais. Bien avant que la fission ne soit étudiée expérimentalement de manière approfondie, une théorie de ce processus a été proposée, basée sur l'idée du noyau comme une goutte de liquide chargé.
L'énergie libérée lors de la fission peut être obtenue directement à partir de Formules Weizsäcker.
Calculons la quantité d'énergie libérée lors de la fission d'un noyau lourd. Remplaçons dans (f.2) les expressions des énergies de liaison des noyaux (f.1), en supposant A 1 = 240 et Z 1 = 90. En négligeant le dernier terme de (f.1) en raison de sa petitesse et en le remplaçant les valeurs des paramètres a 2 et a 3 ,on obtient
On en déduit que la fission est énergétiquement favorable lorsque Z 2 /A > 17. La valeur de Z 2 /A est appelée paramètre de fissibilité. L'énergie E libérée lors de la fission augmente avec l'augmentation de Z 2 /A ; Z 2 /A = 17 pour les noyaux dans la région de l'yttrium et du zirconium. D'après les estimations obtenues, il est clair que la fission est énergétiquement favorable pour tous les noyaux avec A > 90. Pourquoi la plupart des noyaux sont-ils stables par rapport à la fission spontanée ? Pour répondre à cette question, regardons comment la forme du noyau change lors de la fission.
Au cours du processus de fission, le noyau passe séquentiellement par les étapes suivantes (Fig. 2) : une boule, un ellipsoïde, un haltère, deux fragments en forme de poire, deux fragments sphériques. Comment l’énergie potentielle d’un noyau évolue-t-elle au cours des différentes étapes de la fission ? Une fois la fission effectuée et les fragments situés à une distance les uns des autres bien supérieure à leur rayon, l'énergie potentielle des fragments, déterminée par l'interaction coulombienne entre eux, peut être considérée comme égale à zéro.Considérons l'étape initiale de la fission, lorsque le noyau, avec r croissant, prend la forme d'un ellipsoïde de révolution de plus en plus allongé. A ce stade de division, r est une mesure de l'écart du noyau par rapport à la forme sphérique (Fig. 3). En raison de l'évolution de la forme du noyau, la variation de son énergie potentielle est déterminée par la variation de la somme des énergies de surface et coulombienne E" n + E" k. On suppose que le volume du noyau reste inchangé. pendant le processus de déformation. Dans ce cas, l'énergie de surface E"n augmente à mesure que la surface du noyau augmente. L'énergie coulombienne E"k diminue à mesure que la distance moyenne entre les nucléons augmente. Laissez le noyau sphérique, à la suite d'une légère déformation caractérisée par un petit paramètre, prendre la forme d'un ellipsoïde à symétrie axiale. On peut montrer que l'énergie de surface E" n et l'énergie coulombienne E" k varient comme suit en fonction de :
Dans le cas de petites déformations ellipsoïdales, l’augmentation de l’énergie de surface se produit plus rapidement que la diminution de l’énergie coulombienne. Dans la région des noyaux lourds 2E n > E k la somme des énergies de surface et coulombienne augmente avec l'augmentation de . De (f.4) et (f.5), il résulte qu'en cas de petites déformations ellipsoïdales, une augmentation de l'énergie de surface empêche de nouveaux changements dans la forme du noyau et, par conséquent, la fission. L'expression (f.5) est valable pour les petites valeurs (petites déformations). Si la déformation est si importante que le noyau prend la forme d'un haltère, alors les forces de tension superficielle, comme les forces de Coulomb, ont tendance à séparer le noyau et à donner aux fragments une forme sphérique. À ce stade de fission, une augmentation de la déformation s'accompagne d'une diminution des énergies coulombienne et superficielle. Ceux. avec une augmentation progressive de la déformation du noyau, son énergie potentielle passe par un maximum. Maintenant r a la signification de la distance entre les centres des futurs fragments. À mesure que les fragments s'éloignent les uns des autres, l'énergie potentielle de leur interaction diminuera, puisque l'énergie de répulsion coulombienne E k diminue. La dépendance de l'énergie potentielle sur la distance entre les fragments est représentée sur la Fig. 4. Le niveau zéro d'énergie potentielle correspond à la somme des énergies de surface et coulombienne de deux fragments n'interagissant pas. La présence d'une barrière de potentiel empêche la fission spontanée instantanée des noyaux. Pour qu'un noyau se divise instantanément, il doit transmettre une énergie Q qui dépasse la hauteur de la barrière H. L'énergie potentielle maximale d'un noyau fissile est approximativement égale à e 2 Z 2 /(R 1 + R 2), où R 1 et R 2 sont les rayons des fragments. Par exemple, lorsqu'un noyau d'or est divisé en deux fragments identiques, e 2 Z 2 /(R 1 + R 2) = 173 MeV, et la quantité d'énergie E libérée lors de la fission ( voir formule (f.2)), égal à 132 MeV. Ainsi, lors de la fission d'un noyau d'or, il est nécessaire de franchir une barrière de potentiel d'une hauteur d'environ 40 MeV. Plus la hauteur de barrière H est élevée, plus le rapport entre l'énergie coulombienne et l'énergie de surface E sur /E p dans le noyau initial est faible. Ce rapport, à son tour, augmente avec l'augmentation du paramètre de divisibilité Z 2 /A ( voir (f.4)). Plus le noyau est lourd, plus la hauteur de la barrière H est faible , puisque le paramètre de fissibilité augmente avec l'augmentation du nombre de masse :
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|
Ceux. Selon le modèle des gouttelettes, il ne devrait pas y avoir de noyaux avec Z 2 /A > 49 dans la nature, car ils se fissionnent spontanément presque instantanément (dans un temps nucléaire caractéristique de l'ordre de 10 à 22 s). L'existence de noyaux atomiques avec Z 2 /A > 49 (« îlot de stabilité ») s'explique par la structure en coque. La dépendance de la forme, de la hauteur de la barrière de potentiel H et de l'énergie de fission E sur la valeur du paramètre de fission Z 2 /A est représentée sur la Fig. 5.
Fission spontanée des noyaux avec Z 2 /A< 49, для которых высота барьера Н не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. С точки зрения квантовой механики такое деление возможно в результате прохождения через потенциальный барьер и носит название спонтанного деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра делимости Z 2 /А, т.е. с уменьшением высоты барьера. В целом период полураспада относительно спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от Т 1/2 > 10 21 ans pour 232 Th à 0,3 s pour 260 Ku. Fission forcée des noyaux avec Z 2 /A < 49 может быть вызвано любыми частицами: фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, -частицами и т.д., если энергия, которую они вносят в ядро достаточна для преодоления барьера деления.
Classe
Leçon n°42-43
Réaction en chaîne de fission des noyaux d'uranium. Énergie nucléaire et écologie. Radioactivité. Demi-vie.
Réactions nucléaires
Une réaction nucléaire est le processus d'interaction d'un noyau atomique avec un autre noyau ou particule élémentaire, accompagné d'une modification de la composition et de la structure du noyau et de la libération de particules secondaires ou quanta γ.
À la suite de réactions nucléaires, de nouveaux isotopes radioactifs peuvent se former, introuvables sur Terre dans des conditions naturelles.
La première réaction nucléaire a été réalisée par E. Rutherford en 1919 dans le cadre d'expériences visant à détecter des protons dans les produits de désintégration nucléaire (voir § 9.5). Rutherford a bombardé des atomes d'azote avec des particules alpha. Lorsque les particules sont entrées en collision, une réaction nucléaire s'est produite, se déroulant selon le schéma suivant :
Lors de réactions nucléaires, plusieurs lois sur la conservation: impulsion, énergie, moment cinétique, charge. En plus de ces lois de conservation classiques dans les réactions nucléaires, la loi de conservation dite charge baryonique(c'est-à-dire le nombre de nucléons - protons et neutrons). Un certain nombre d’autres lois de conservation spécifiques à la physique nucléaire et aux particules sont également valables.
Des réactions nucléaires peuvent se produire lorsque les atomes sont bombardés de particules chargées rapidement (protons, neutrons, particules α, ions). La première réaction de ce type a été réalisée en utilisant des protons à haute énergie produits dans un accélérateur en 1932 :
où M A et M B sont les masses des produits initiaux, M C et M D sont les masses des produits finaux de la réaction. La quantité ΔM est appelée défaut de masse. Des réactions nucléaires peuvent se produire avec libération (Q > 0) ou avec absorption d'énergie (Q< 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.
Pour qu’une réaction nucléaire produise une production d’énergie positive, énergie de liaison spécifique Les nucléons dans les noyaux des produits initiaux doivent être inférieurs à l'énergie de liaison spécifique des nucléons dans les noyaux des produits finaux. Cela signifie que la valeur ΔM doit être positive.
Il existe deux manières fondamentalement différentes de libérer de l’énergie nucléaire.
1. Fission de noyaux lourds. Contrairement à la désintégration radioactive des noyaux, qui s'accompagne de l'émission de particules α ou β, les réactions de fission sont un processus dans lequel un noyau instable est divisé en deux grands fragments de masses comparables.
En 1939, les scientifiques allemands O. Hahn et F. Strassmann découvrent la fission des noyaux d'uranium. Poursuivant les recherches commencées par Fermi, ils ont établi que lorsque l'uranium est bombardé de neutrons, des éléments de la partie médiane du tableau périodique apparaissent - les isotopes radioactifs du baryum (Z = 56), du krypton (Z = 36), etc.
L'uranium est présent dans la nature sous la forme de deux isotopes : (99,3 %) et (0,7 %). Lorsqu’ils sont bombardés par des neutrons, les noyaux des deux isotopes peuvent se diviser en deux fragments. Dans ce cas, la réaction de fission se produit le plus intensément avec des neutrons lents (thermiques), tandis que les noyaux n'entrent dans une réaction de fission qu'avec des neutrons rapides d'une énergie de l'ordre de 1 MeV.
Le principal intérêt de l'énergie nucléaire est la réaction de fission d'un noyau. Actuellement, on connaît environ 100 isotopes différents avec des nombres de masse d'environ 90 à 145, résultant de la fission de ce noyau. Deux réactions de fission typiques de ce noyau sont :
Notez que la fission nucléaire initiée par un neutron produit de nouveaux neutrons qui peuvent provoquer des réactions de fission dans d'autres noyaux. Les produits de fission des noyaux d'uranium 235 peuvent également être d'autres isotopes du baryum, du xénon, du strontium, du rubidium, etc.
L'énergie cinétique libérée lors de la fission d'un noyau d'uranium est énorme : environ 200 MeV. Une estimation de l'énergie libérée lors de la fission nucléaire peut être réalisée en utilisant énergie de liaison spécifique nucléons dans le noyau. L'énergie de liaison spécifique des nucléons dans les noyaux de nombre de masse A ≈ 240 est d'environ 7,6 MeV/nucléon, tandis que dans les noyaux de nombre de masse A = 90 à 145, l'énergie spécifique est d'environ 8,5 MeV/nucléon. Par conséquent, la fission d'un noyau d'uranium libère une énergie de l'ordre de 0,9 MeV/nucléon, soit environ 210 MeV par atome d'uranium. Avec la fission complète de tous les noyaux contenus dans 1 g d'uranium, la même énergie est libérée que lors de la combustion de 3 tonnes de charbon ou de 2,5 tonnes de pétrole.
Les produits de fission du noyau d'uranium sont instables car ils contiennent un excès important de neutrons. En effet, le rapport N/Z pour les noyaux les plus lourds est de l'ordre de 1,6 (Fig. 9.6.2), pour les noyaux de nombre de masse compris entre 90 et 145, ce rapport est de l'ordre de 1,3 à 1,4. Par conséquent, les noyaux fragmentés subissent une série de désintégrations β successives, à la suite desquelles le nombre de protons dans le noyau augmente et le nombre de neutrons diminue jusqu'à ce qu'un noyau stable soit formé.
Lorsqu'un noyau d'uranium 235 se fissifie, provoquée par une collision avec un neutron, 2 ou 3 neutrons sont libérés. Dans des conditions favorables, ces neutrons peuvent frapper d’autres noyaux d’uranium et provoquer leur fission. A ce stade, de 4 à 9 neutrons apparaîtront, capables de provoquer de nouvelles désintégrations de noyaux d'uranium, etc. Un tel processus semblable à une avalanche est appelé réaction en chaîne. Schéma de développement réaction en chaîne la fission des noyaux d'uranium est illustrée sur la figure. 9.8.1.
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| Graphique 9.8.1. Schéma du développement d'une réaction en chaîne. |
Pour qu'une réaction en chaîne se produise, il faut que ce qu'on appelle facteur de multiplication des neutronsétait supérieur à un. En d’autres termes, dans chaque génération suivante, il devrait y avoir plus de neutrons que dans la précédente. Le coefficient de multiplication est déterminé non seulement par le nombre de neutrons produits dans chaque acte élémentaire, mais également par les conditions dans lesquelles la réaction se produit - certains neutrons peuvent être absorbés par d'autres noyaux ou quitter la zone de réaction. Les neutrons libérés lors de la fission des noyaux d'uranium 235 sont capables de provoquer la fission uniquement des noyaux du même uranium, qui ne représente que 0,7 % de l'uranium naturel. Cette concentration est insuffisante pour déclencher une réaction en chaîne. L’isotope peut également absorber des neutrons, mais cela ne provoque pas de réaction en chaîne.
Une réaction en chaîne dans l'uranium avec une teneur accrue en uranium 235 ne peut se développer que lorsque la masse d'uranium dépasse ce qu'on appelle masse critique. Dans les petits morceaux d’uranium, la plupart des neutrons s’envolent sans toucher aucun noyau. Pour l’uranium 235 pur, la masse critique est d’environ 50 kg. La masse critique de l'uranium peut être réduite plusieurs fois en utilisant ce qu'on appelle ralentisseurs neutrons. Le fait est que les neutrons produits lors de la désintégration des noyaux d'uranium ont des vitesses trop élevées et que la probabilité de capturer des neutrons lents par les noyaux d'uranium 235 est des centaines de fois supérieure à celle des neutrons rapides. Le meilleur modérateur de neutrons est eau lourde D 2 O. Lorsqu'elle interagit avec les neutrons, l'eau ordinaire elle-même se transforme en eau lourde.
Le graphite, dont les noyaux n'absorbent pas les neutrons, est également un bon modérateur. Lors d'une interaction élastique avec des noyaux de deutérium ou de carbone, les neutrons sont ralentis jusqu'à des vitesses thermiques.
L'utilisation de modérateurs de neutrons et d'une coque spéciale en béryllium, qui réfléchit les neutrons, permet de réduire la masse critique à 250 g.
Dans les bombes atomiques, une réaction nucléaire en chaîne incontrôlée se produit lorsque deux morceaux d'uranium 235, dont chacun a une masse légèrement inférieure au point critique, se combinent rapidement.
Un dispositif qui prend en charge une réaction de fission nucléaire contrôlée est appelé nucléaire(ou atomique) réacteur. Le schéma d'un réacteur nucléaire utilisant des neutrons lents est présenté sur la Fig. 9.8.2.
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| Graphique 9.8.2. Schéma d'un réacteur nucléaire. |
La réaction nucléaire a lieu dans le cœur du réacteur, qui est rempli d'un modérateur et traversé par des crayons contenant un mélange enrichi d'isotopes de l'uranium à haute teneur en uranium 235 (jusqu'à 3 %). Des barres de contrôle contenant du cadmium ou du bore sont introduites dans le cœur, qui absorbent intensément les neutrons. L'insertion de tiges dans le noyau vous permet de contrôler la vitesse de la réaction en chaîne.
Le noyau est refroidi à l'aide d'un liquide de refroidissement pompé, qui peut être de l'eau ou un métal à bas point de fusion (par exemple, le sodium, qui a un point de fusion de 98 °C). Dans un générateur de vapeur, le liquide de refroidissement transfère l’énergie thermique à l’eau, la transformant en vapeur à haute pression. La vapeur est envoyée vers une turbine reliée à un générateur électrique. Depuis la turbine, la vapeur entre dans le condenseur. Pour éviter les fuites de rayonnement, les circuits de liquide de refroidissement I et du générateur de vapeur II fonctionnent en cycles fermés.
La turbine d'une centrale nucléaire est un moteur thermique qui détermine le rendement global de la centrale conformément à la deuxième loi de la thermodynamique. Les centrales nucléaires modernes ont à peu près le même rendement. Par conséquent, pour produire 1 000 MW d’énergie électrique, la puissance thermique du réacteur doit atteindre 3 000 MW. 2000 MW doivent être emportés par l’eau refroidissant le condenseur. Cela conduit à une surchauffe locale des réservoirs naturels et à l'émergence ultérieure de problèmes environnementaux.
Cependant, le principal problème est d'assurer une totale sécurité radiologique des personnes travaillant dans les centrales nucléaires et d'éviter les rejets accidentels de substances radioactives qui s'accumulent en grande quantité dans le cœur du réacteur. Lors du développement de réacteurs nucléaires, une grande attention est accordée à ce problème. Cependant, après des accidents survenus dans certaines centrales nucléaires, notamment à la centrale nucléaire de Pennsylvanie (États-Unis, 1979) et à la centrale nucléaire de Tchernobyl (1986), le problème de la sécurité de l'énergie nucléaire est devenu particulièrement aigu.
A côté du réacteur nucléaire fonctionnant aux neutrons lents décrit ci-dessus, les réacteurs fonctionnant sans modérateur aux neutrons rapides présentent un grand intérêt pratique. Dans de tels réacteurs, le combustible nucléaire est un mélange enrichi contenant au moins 15 % de l'isotope. L'avantage des réacteurs à neutrons rapides est que lors de leur fonctionnement, les noyaux d'uranium 238, absorbant les neutrons, se transforment en noyaux de plutonium par deux β - successifs. désintégrations, qui peuvent ensuite être utilisées comme combustible nucléaire :
Le facteur de reproduction de ces réacteurs atteint 1,5, c'est-à-dire que pour 1 kg d'uranium 235, on obtient jusqu'à 1,5 kg de plutonium. Les réacteurs conventionnels produisent également du plutonium, mais en quantités bien moindres.
Le premier réacteur nucléaire a été construit en 1942 aux États-Unis sous la direction d'E. Fermi. Dans notre pays, le premier réacteur a été construit en 1946 sous la direction de I.V. Kurchatov.
2. Réactions thermonucléaires. La deuxième façon de libérer de l’énergie nucléaire est associée aux réactions de fusion. Lorsque des noyaux légers fusionnent et forment un nouveau noyau, une grande quantité d’énergie doit être libérée. Cela peut être vu sur la courbe de l'énergie de liaison spécifique en fonction du nombre de masse A (Fig. 9.6.1). Jusqu'aux noyaux ayant un nombre de masse d'environ 60, l'énergie de liaison spécifique des nucléons augmente avec l'augmentation de A. Par conséquent, la synthèse de tout noyau avec A< 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.
Les réactions de fusion des noyaux légers sont appelées réactions thermonucléaires, puisqu'ils ne peuvent se produire qu'à des températures très élevées. Pour que deux noyaux entrent dans une réaction de fusion, ils doivent se rapprocher l'un de l'autre à une distance de forces nucléaires de l'ordre de 2,10 à 15 m, surmontant ainsi la répulsion électrique de leurs charges positives. Pour cela, l'énergie cinétique moyenne du mouvement thermique des molécules doit dépasser l'énergie potentielle de l'interaction coulombienne. Le calcul de la température T nécessaire à cet effet conduit à une valeur de l'ordre de 10 8 – 10 9 K. Il s'agit d'une température extrêmement élevée. A cette température, la substance est dans un état complètement ionisé, appelé plasma.
L'énergie libérée par nucléon lors des réactions thermonucléaires est plusieurs fois supérieure à l'énergie spécifique libérée lors des réactions en chaîne de fission nucléaire. Par exemple, dans la réaction de fusion des noyaux de deutérium et de tritium
| |
3,5 MeV/nucléon sont libérés. Au total, cette réaction libère 17,6 MeV. C'est l'une des réactions thermonucléaires les plus prometteuses.
Mise en œuvre réactions thermonucléaires contrôlées donnera à l’humanité une nouvelle source d’énergie respectueuse de l’environnement et pratiquement inépuisable. Cependant, obtenir des températures ultra-élevées et confiner un plasma chauffé à un milliard de degrés représente la tâche scientifique et technique la plus difficile sur la voie de la mise en œuvre de la fusion thermonucléaire contrôlée.
A ce stade de développement de la science et de la technologie, il n'était possible de mettre en œuvre que réaction de fusion incontrôlée dans une bombe à hydrogène. La température élevée nécessaire à la fusion nucléaire est ici atteinte par l'explosion d'une bombe conventionnelle à l'uranium ou au plutonium.
Les réactions thermonucléaires jouent un rôle extrêmement important dans l'évolution de l'Univers. L'énergie de rayonnement du Soleil et des étoiles est d'origine thermonucléaire.
Radioactivité
Près de 90 % des 2 500 noyaux atomiques connus sont instables. Un noyau instable se transforme spontanément en d'autres noyaux, émettant des particules. Cette propriété des noyaux est appelée radioactivité. Dans les gros noyaux, l'instabilité résulte de la compétition entre l'attraction des nucléons par les forces nucléaires et la répulsion coulombienne des protons. Il n'existe pas de noyaux stables avec un nombre de charge Z > 83 et un nombre de masse A > 209. Mais les noyaux atomiques avec des valeurs nettement inférieures des nombres Z et A peuvent également être radioactifs. Si le noyau contient beaucoup plus de protons que de neutrons, alors l'instabilité est causée par un excès d'énergie d'interaction coulombienne. Les noyaux qui contiendraient un large excès de neutrons par rapport au nombre de protons s'avèrent instables du fait que la masse du neutron dépasse la masse du proton. Une augmentation de la masse du noyau entraîne une augmentation de son énergie.
Le phénomène de radioactivité a été découvert en 1896 par le physicien français A. Becquerel, qui a découvert que les sels d'uranium émettent un rayonnement inconnu capable de traverser les barrières opaques à la lumière et de provoquer un noircissement de l'émulsion photographique. Deux ans plus tard, les physiciens français M. et P. Curie découvrent la radioactivité du thorium et découvrent deux nouveaux éléments radioactifs : le polonium et le radium.
Au cours des années suivantes, de nombreux physiciens, dont E. Rutherford et ses étudiants, étudièrent la nature du rayonnement radioactif. Il a été découvert que les noyaux radioactifs peuvent émettre des particules de trois types : chargées positivement, négativement et neutres. Ces trois types de rayonnements étaient appelés rayonnements α, β et γ. En figue. La figure 9.7.1 montre le schéma d'une expérience permettant de détecter la composition complexe du rayonnement radioactif. Dans un champ magnétique, les rayons α et β sont déviés dans des directions opposées, et les rayons β sont beaucoup plus déviés. Les rayons gamma dans un champ magnétique ne sont pas du tout déviés.
Ces trois types de rayonnements radioactifs diffèrent grandement les uns des autres par leur capacité à ioniser les atomes de matière et donc par leur capacité de pénétration. Le rayonnement α a la capacité de pénétration la plus faible. Dans l’air, dans des conditions normales, les rayons α parcourent une distance de plusieurs centimètres. Les rayons β sont beaucoup moins absorbés par la matière. Ils sont capables de traverser une couche d'aluminium de plusieurs millimètres d'épaisseur. Les rayons gamma ont la plus grande capacité de pénétration, capables de traverser une couche de plomb de 5 à 10 cm d'épaisseur.
Dans la deuxième décennie du XXe siècle, après la découverte par E. Rutherford de la structure nucléaire des atomes, il fut fermement établi que la radioactivité est propriété des noyaux atomiques. La recherche a montré que les rayons α représentent un flux de particules α - noyaux d'hélium, les rayons β sont un flux d'électrons, les rayons γ sont un rayonnement électromagnétique à ondes courtes avec une longueur d'onde extrêmement courte λ< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, то есть является потоком частиц – γ-квантов.
Désintégration alpha. La désintégration alpha est la transformation spontanée d'un noyau atomique avec le nombre de protons Z et de neutrons N en un autre noyau (fille) contenant le nombre de protons Z – 2 et de neutrons N – 2. Dans ce cas, une particule α est émise - le noyau d'un atome d'hélium. Un exemple d’un tel processus est la désintégration α du radium :
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Les particules alpha émises par les noyaux des atomes de radium ont été utilisées par Rutherford dans des expériences sur la diffusion par les noyaux d'éléments lourds. La vitesse des particules α émises lors de la désintégration α des noyaux de radium, mesurée à partir de la courbure de la trajectoire dans un champ magnétique, est d'environ 1,5 10 7 m/s, et l'énergie cinétique correspondante est d'environ 7,5 10 –13 J ( environ 4, 8 MeV). Cette valeur peut être facilement déterminée à partir des valeurs connues des masses des noyaux mère et fille et du noyau d'hélium. Bien que la vitesse de la particule α qui s'échappe soit énorme, elle ne représente encore que 5 % de la vitesse de la lumière, donc lors du calcul, vous pouvez utiliser une expression non relativiste pour l'énergie cinétique.
Des recherches ont montré qu'une substance radioactive peut émettre des particules alpha avec plusieurs énergies discrètes. Cela s'explique par le fait que les noyaux peuvent être, comme les atomes, dans différents états excités. Le noyau fille peut se retrouver dans l’un de ces états excités lors de la désintégration α. Lors de la transition ultérieure de ce noyau vers l'état fondamental, un quantum γ est émis. Un diagramme de la désintégration α du radium avec émission de particules α avec deux valeurs d'énergies cinétiques est présenté sur la Fig. 9.7.2.
Ainsi, la désintégration α des noyaux s’accompagne dans de nombreux cas d’un rayonnement γ.
Dans la théorie de la désintégration α, on suppose que des groupes constitués de deux protons et de deux neutrons, c'est-à-dire une particule α, peuvent se former à l'intérieur des noyaux. Le noyau mère est destiné aux particules α trou potentiel, ce qui est limité barrière potentielle. L'énergie de la particule α dans le noyau n'est pas suffisante pour surmonter cette barrière (Fig. 9.7.3). Le départ d'une particule alpha du noyau n'est possible que grâce à un phénomène de mécanique quantique appelé effet tunnel. Selon la mécanique quantique, il existe une probabilité non nulle qu’une particule passe sous une barrière de potentiel. Le phénomène de tunneling est de nature probabiliste.
Désintégration bêta. Lors de la désintégration bêta, un électron est éjecté du noyau. Les électrons ne peuvent pas exister à l'intérieur des noyaux (voir § 9.5) ; ils naissent lors de la désintégration bêta suite à la transformation d'un neutron en proton. Ce processus peut se produire non seulement à l’intérieur du noyau, mais également avec des neutrons libres. La durée de vie moyenne d'un neutron libre est d'environ 15 minutes. Lors de la désintégration, un neutron se transforme en proton et en électron
Des mesures ont montré que dans ce processus, il y a une violation apparente de la loi de conservation de l'énergie, puisque l'énergie totale du proton et de l'électron résultant de la désintégration d'un neutron est inférieure à l'énergie du neutron. En 1931, W. Pauli a suggéré que lors de la désintégration d'un neutron, une autre particule de masse et de charge nulles est libérée, ce qui lui enlève une partie de l'énergie. La nouvelle particule est nommée neutrino(petit neutron). En raison du manque de charge et de masse d'un neutrino, cette particule interagit très faiblement avec les atomes de la matière, elle est donc extrêmement difficile à détecter expérimentalement. La capacité ionisante des neutrinos est si faible qu’un événement d’ionisation dans l’air se produit à environ 500 km du trajet. Cette particule n’a été découverte qu’en 1953. On sait désormais qu’il existe plusieurs types de neutrinos. Lors de la désintégration d'un neutron, une particule est produite, appelée antineutrino électronique. Elle est désignée par le symbole. Par conséquent, la réaction de désintégration des neutrons s'écrit sous la forme
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Un processus similaire se produit à l’intérieur des noyaux lors de la désintégration β. Un électron formé à la suite de la désintégration de l'un des neutrons nucléaires est immédiatement éjecté de la « maison parentale » (noyau) à une vitesse énorme, qui peut différer de la vitesse de la lumière d'une fraction seulement d'un pour cent. Étant donné que la répartition de l'énergie libérée lors de la désintégration β entre l'électron, le neutrino et le noyau fille est aléatoire, les électrons β peuvent avoir des vitesses différentes sur une large plage.
Lors de la désintégration β, le nombre de charges Z augmente de un, mais le nombre de masse A reste inchangé. Le noyau fille s'avère être le noyau de l'un des isotopes de l'élément, dont le numéro de série dans le tableau périodique est supérieur d'un numéro au numéro de série du noyau d'origine. Un exemple typique de désintégration β est la transformation de l'isotone du thorium résultant de la désintégration α de l'uranium en palladium.
Désintégration gamma. Contrairement aux radioactivités α et β, la radioactivité γ des noyaux n'est pas associée à une modification de la structure interne du noyau et ne s'accompagne pas d'une modification de la charge ou du nombre de masse. Au cours des désintégrations α et β, le noyau fille peut se retrouver dans un état excité et avoir un excès d'énergie. La transition d'un noyau d'un état excité à un état fondamental s'accompagne de l'émission d'un ou plusieurs quanta γ dont l'énergie peut atteindre plusieurs MeV.
Loi de la désintégration radioactive. Tout échantillon d'une substance radioactive contient un grand nombre d'atomes radioactifs. Étant donné que la désintégration radioactive est de nature aléatoire et ne dépend pas de conditions extérieures, la loi de diminution du nombre N(t) de noyaux qui ne se sont pas désintégrés à un moment donné t peut servir de caractéristique statistique importante du processus de désintégration radioactive.
Supposons que le nombre de noyaux non décomposés N(t) change de ΔN sur une courte période de temps Δt< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:
Le coefficient de proportionnalité λ est la probabilité de désintégration nucléaire en un temps Δt = 1 s. Cette formule signifie que le taux de variation de la fonction N(t) est directement proportionnel à la fonction elle-même.
où N 0 est le nombre initial de noyaux radioactifs à t = 0. Pendant le temps τ = 1 / λ, le nombre de noyaux non décomposés diminuera de e ≈ 2,7 fois. La quantité τ est appelée durée de vie moyenne noyau radioactif.
Pour une utilisation pratique, il est pratique d'écrire la loi de la désintégration radioactive sous une forme différente, en utilisant le chiffre 2 plutôt que e comme base :
La quantité T est appelée demi-vie. Pendant le temps T, la moitié du nombre initial de noyaux radioactifs se désintègre. Les quantités T et τ sont liées par la relation
La demi-vie est la principale grandeur caractérisant le taux de désintégration radioactive. Plus la demi-vie est courte, plus la désintégration est intense. Ainsi, pour l'uranium T ≈ 4,5 milliards d'années, et pour le radium T ≈ 1600 ans. L’activité du radium est donc bien supérieure à celle de l’uranium. Il existe des éléments radioactifs dont la demi-vie est d'une fraction de seconde.
On ne le trouve pas naturellement et se termine par le bismuth. Cette série de désintégrations radioactives se produit dans le bismuth. réacteurs nucléaires.
Une application intéressante de la radioactivité est la méthode de datation des découvertes archéologiques et géologiques par la concentration d'isotopes radioactifs. La méthode de datation la plus couramment utilisée est la datation au radiocarbone. Un isotope instable du carbone apparaît dans l'atmosphère en raison de réactions nucléaires provoquées par les rayons cosmiques. Un faible pourcentage de cet isotope se trouve dans l’air avec l’isotope stable régulier. Les plantes et autres organismes absorbent le carbone de l’air et accumulent les deux isotopes dans les mêmes proportions que dans l’air. Après la mort des plantes, elles cessent de consommer du carbone et l'isotope instable se transforme progressivement en azote suite à la désintégration β avec une demi-vie de 5 730 ans. En mesurant avec précision la concentration relative de carbone radioactif dans les restes d'organismes anciens, il est possible de déterminer l'heure de leur mort.
Les rayonnements radioactifs de tous types (alpha, bêta, gamma, neutrons), ainsi que les rayonnements électromagnétiques (rayons X) ont un effet biologique très fort sur les organismes vivants, qui consiste en les processus d'excitation et d'ionisation des atomes et des molécules qui composent des cellules vivantes. Sous l'influence des rayonnements ionisants, des molécules complexes et des structures cellulaires sont détruites, ce qui entraîne des dommages radioactifs au corps. Par conséquent, lorsque vous travaillez avec une source de rayonnement, il est nécessaire de prendre toutes les mesures nécessaires pour protéger les personnes susceptibles d'être exposées aux rayonnements.
Cependant, une personne peut être exposée à des rayonnements ionisants à son domicile. Le radon, un gaz inerte, incolore et radioactif, peut constituer un grave danger pour la santé humaine, comme le montre le diagramme illustré à la figure 1. 9.7.5, le radon est un produit de la désintégration α du radium et a une demi-vie T = 3,82 jours. Le radium se trouve en petites quantités dans le sol, les pierres et diverses structures de bâtiments. Malgré sa durée de vie relativement courte, la concentration de radon est continuellement reconstituée en raison de nouvelles désintégrations des noyaux de radium, de sorte que le radon peut s'accumuler dans les espaces clos. Une fois dans les poumons, le radon émet des particules α et se transforme en polonium, qui n’est pas une substance chimiquement inerte. Ce qui suit est une chaîne de transformations radioactives de la série de l'uranium (Fig. 9.7.5). Selon la Commission américaine de radioprotection et de contrôle, une personne moyenne reçoit 55 % de ses rayonnements ionisants du radon et seulement 11 % des soins médicaux. La contribution des rayons cosmiques est d'environ 8 %. La dose totale de rayonnement qu'une personne reçoit au cours de sa vie est plusieurs fois inférieure dose maximale admissible(SDA), qui est établie pour les personnes exerçant certaines professions qui sont soumises à une exposition supplémentaire aux rayonnements ionisants.
La fission nucléaire est la division d'un atome lourd en deux fragments de masse à peu près égale, accompagnée de la libération d'une grande quantité d'énergie.
La découverte de la fission nucléaire a marqué le début d’une nouvelle ère : « l’ère atomique ». Le potentiel de son utilisation possible et le rapport risque/bénéfice de son utilisation ont non seulement généré de nombreux progrès sociologiques, politiques, économiques et scientifiques, mais aussi de graves problèmes. Même d'un point de vue purement scientifique, le processus de fission nucléaire a créé un grand nombre d'énigmes et de complications, et son explication théorique complète est une question d'avenir.
Le partage est rentable
Les énergies de liaison (par nucléon) diffèrent selon les noyaux. Les plus lourds ont une énergie de liaison inférieure à ceux situés au milieu du tableau périodique.
Cela signifie que les noyaux lourds ayant un numéro atomique supérieur à 100 bénéficient de la division en deux fragments plus petits, libérant ainsi de l'énergie qui est convertie en énergie cinétique des fragments. Ce processus est appelé fractionnement
Selon la courbe de stabilité, qui montre le nombre de protons par rapport au nombre de neutrons pour les nucléides stables, les noyaux plus lourds préfèrent un nombre de neutrons plus élevé (par rapport au nombre de protons) que les noyaux plus légers. Cela suggère que certains neutrons « de rechange » seront émis lors du processus de fission. De plus, ils absorberont également une partie de l’énergie libérée. Une étude de la fission du noyau d'un atome d'uranium a montré que 3-4 neutrons sont libérés : 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.
Le numéro atomique (et la masse atomique) du fragment n’est pas égal à la moitié de la masse atomique du parent. La différence entre les masses des atomes formés à la suite de la division est généralement d'environ 50. Cependant, la raison n'est pas encore tout à fait claire.
Les énergies de liaison du 238 U, 145 La et 90 Br sont respectivement de 1 803, 1 198 et 763 MeV. Cela signifie qu'à la suite de cette réaction, l'énergie de fission du noyau d'uranium est libérée, égale à 1198 + 763-1803 = 158 MeV.
Fission spontanée
Les processus de fission spontanée sont connus dans la nature, mais ils sont très rares. La durée de vie moyenne de ce processus est d'environ 10 à 17 ans et, par exemple, la durée de vie moyenne de la désintégration alpha du même radionucléide est d'environ 10 à 11 ans.
La raison en est que pour se diviser en deux parties, le noyau doit d’abord se déformer (s’étirer) pour prendre une forme ellipsoïdale, puis, avant de se diviser finalement en deux fragments, former un « col » au milieu.
Barrière potentielle
Dans un état déformé, deux forces agissent sur le noyau. L’un est l’augmentation de l’énergie de surface (la tension superficielle d’une goutte de liquide explique sa forme sphérique) et l’autre est la répulsion coulombienne entre les fragments de fission. Ensemble, ils créent une barrière potentielle.
Comme dans le cas de la désintégration alpha, pour qu'une fission spontanée du noyau d'un atome d'uranium se produise, les fragments doivent surmonter cette barrière grâce à l'effet tunnel quantique. La valeur de la barrière est d'environ 6 MeV, comme dans le cas de la désintégration alpha, mais la probabilité d'un effet tunnel d'une particule alpha est bien supérieure à celle du produit de fission atomique beaucoup plus lourd.
Fractionnement forcé
La fission induite du noyau d’uranium est bien plus probable. Dans ce cas, le noyau mère est irradié par des neutrons. Si le parent l'absorbe, ils se lient, libérant une énergie de liaison sous forme d'énergie vibratoire qui peut dépasser les 6 MeV requis pour surmonter la barrière de potentiel.
Lorsque l'énergie du neutron supplémentaire n'est pas suffisante pour franchir la barrière de potentiel, le neutron incident doit avoir une énergie cinétique minimale pour pouvoir induire la fission atomique. Dans le cas du 238 U, l'énergie de liaison des neutrons supplémentaires manque d'environ 1 MeV. Cela signifie que la fission d'un noyau d'uranium est induite uniquement par un neutron ayant une énergie cinétique supérieure à 1 MeV. D’un autre côté, l’isotope 235 U possède un neutron non apparié. Lorsqu'un noyau en absorbe un supplémentaire, il s'apparie avec lui, et cet appariement se traduit par une énergie de liaison supplémentaire. Cela suffit pour libérer la quantité d'énergie nécessaire au noyau pour surmonter la barrière de potentiel et la fission isotopique se produit lors d'une collision avec n'importe quel neutron.
Désintégration bêta
Même si la réaction de fission produit trois ou quatre neutrons, les fragments contiennent toujours plus de neutrons que leurs isobares stables. Cela signifie que les fragments de clivage ont tendance à être instables face à la désintégration bêta.
Par exemple, lorsque se produit la fission du noyau d'uranium 238 U, l'isobare stable avec A = 145 est le néodyme 145 Nd, ce qui signifie que le fragment de lanthane 145 La se désintègre en trois étapes, émettant à chaque fois un électron et un antineutrino, jusqu'à ce qu'un un nucléide stable se forme. Une isobare stable avec A = 90 est le zirconium 90 Zr, donc le fragment de clivage du brome 90 Br se désintègre en cinq étapes de la chaîne de désintégration β.
Ces chaînes de désintégration β libèrent de l’énergie supplémentaire, dont la quasi-totalité est emportée par les électrons et les antineutrinos.
Réactions nucléaires : fission des noyaux d'uranium
L'émission directe de neutrons d'un nucléide contenant trop de neutrons pour assurer la stabilité nucléaire est peu probable. Le fait est qu’il n’y a pas de répulsion coulombienne et que l’énergie de surface a donc tendance à maintenir le neutron lié au parent. Cependant, cela arrive parfois. Par exemple, le fragment de fission de 90 Br dans la première étape de la désintégration bêta produit du krypton-90, qui peut être dans un état excité avec suffisamment d'énergie pour vaincre l'énergie de surface. Dans ce cas, l’émission de neutrons peut se produire directement avec la formation de krypton-89. est encore instable pour la désintégration β jusqu'à ce qu'il devienne stable, l'yttrium-89, donc le krypton-89 se désintègre en trois étapes.
Fission des noyaux d'uranium : réaction en chaîne
Les neutrons émis lors de la réaction de fission peuvent être absorbés par un autre noyau parent, qui subit alors lui-même une fission induite. Dans le cas de l'uranium 238, les trois neutrons produits ressortent avec une énergie inférieure à 1 MeV (l'énergie libérée lors de la fission d'un noyau d'uranium - 158 MeV - est principalement convertie en énergie cinétique des fragments de fission ), ils ne peuvent donc pas provoquer de fission supplémentaire de ce nucléide. Cependant, à une concentration importante de l'isotope rare 235 U, ces neutrons libres peuvent être capturés par les noyaux de 235 U, ce qui peut effectivement provoquer une fission, puisqu'il n'y a dans ce cas pas de seuil énergétique en dessous duquel la fission n'est pas induite.
C'est le principe d'une réaction en chaîne.
Types de réactions nucléaires
Soit k le nombre de neutrons produits dans un échantillon de matière fissile à l'étape n de cette chaîne, divisé par le nombre de neutrons produits à l'étape n - 1. Ce nombre dépendra du nombre de neutrons produits à l'étape n - 1 qui sont absorbés. par le noyau qui peut subir une division forcée.
Si k< 1, то цепная реакция просто выдохнется и процесс остановится очень быстро. Именно это и происходит в природной в которой концентрация 235 U настолько мала, что вероятность поглощения одного из нейтронов этим изотопом крайне ничтожна.
Si k > 1, alors la réaction en chaîne se développera jusqu'à ce que toute la matière fissile soit épuisée. Ceci est réalisé en enrichissant le minerai naturel pour obtenir une concentration suffisamment importante d'uranium 235. Pour un échantillon sphérique, la valeur de k augmente avec la probabilité d'absorption des neutrons, qui dépend du rayon de la sphère. Par conséquent, la masse U doit dépasser une certaine quantité pour que la fission des noyaux d’uranium (réaction en chaîne) puisse se produire.
Si k = 1, alors une réaction contrôlée a lieu. Ceci est utilisé dans les réacteurs nucléaires. Le processus est contrôlé par la répartition des barres de cadmium ou de bore parmi l'uranium, qui absorbent la plupart des neutrons (ces éléments ont la capacité de capter les neutrons). La fission du noyau d'uranium est contrôlée automatiquement en déplaçant les tiges pour que la valeur de k reste égale à l'unité.
