Fission et fusion nucléaire
Quelle est la différence entre la fusion et la fission nucléaire ? D'où provient cette énergie ?
Les réactions nucléaires de fission et de fusion sont des réactions dites provoquées. Une réaction nucléaire est provoquée lorsqu'un noyau projectile frappe un noyau cible et donne ainsi naissance à des nouveaux noyaux. Ces deux réactions doivent, comme toute réaction nucléaire, vérifier les lois de conservation :
- conservation du nombre de masse, donc du nombre de nucléons(1) ;
- conservation du numéro atomique, donc du nombre de protons.
La fission nucléaire se produit lorsqu'un noyau lent rencontre un noyau fissile – cassable – en donnant ainsi naissance à deux noyaux plus légers. Par exemple, la réaction de fission de l'uranium 235 donne naissance à un noyau de strontium 94 et à un noyau de xénon 140 selon la réaction :
\(^{235}_{92}U + ^1_0n \longrightarrow ^{94}_{38}Sr + ^{140}_{54}Xe + 2^1_0n\)
Le fait que ce soit un neutron lent qui initie la réaction est intéressant puisqu'il n'y a pas de répulsion lors de la rencontre entre le neutron (qui n'est pas chargé) et le noyau d'uranium.
On peut aussi remarquer que la réaction de fission donne naissance à des noyaux fils (\(^{94}_{38}Sr~\) et \(^{140}_{54}Xe~\)) mais aussi à des neutrons (\(^1_0n~\)), ceux-ci pouvant aller rencontrer d'autres noyaux d'uranium qui génèreront eux mêmes d'autres neutrons : on obtient alors une réaction en chaîne.
Si l'on fait en sorte que cette cascade de réactions s'emballe, on obtiendra alors une bombe atomique de type A. On peut aussi contrôler cette réaction afin de produire une quantité d'énergie souhaitée, comme c'est le cas dans les centrales nucléaires.
La première fission de l'uranium 235 a été obtenue par Frédéric et Irène Joliot-Curie.
Pour avoir une fusion nucléaire, il faut que deux noyaux légers s'unissent afin de donner naissance à un noyau plus lourd.
Ces noyaux sont cette fois ci composés de protons et de neutrons, ainsi il leur faut une très grande énergie pour vaincre les forces de répulsion : on doit donc porter le milieu à très haute température (\(10^8\) Kelvins). On appelle donc la réaction de fusion : réaction thermonucléaire.
Les réactions de fusion se font naturellement dans les étoiles : des noyaux d'hydrogène vont fusionner en plusieurs étapes pour donner des noyaux d'hélium.
On crée grâce à la fusion des bombes thermonucléaires (bombes H). C'est alors la fission qui permet d'engendrer la haute température, et donc la fusion.
Depuis des années on cherche à contrôler la fusion pour s'en servir dans les réacteurs nucléaires, la difficulté résidant dans le confinement du plasma(2).