Réactions nucléaires provoquées
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• distinguer une réaction nucléaire spontanée d'une réaction provoquée ;
• écrire les équations de réactions de fission et de fusion à l'aide des lois de conservation ;
• justifier, à l'aide du défaut de masse et de la courbe d'Aston, que ces réactions libèrent de l'énergie ;
• calculer l'énergie libérée par une réaction nucléaire ;
• expliquer la réaction en chaîne et le principe d'une centrale nucléaire.
Prérequis : défaut de masse, énergie de liaison par nucléon, courbe d'Aston, lois de conservation, radioactivité.
Situation de départ
Une centrale nucléaire de 900 MW consomme environ 3 kg d'uranium 235 par jour ; une centrale au charbon de même puissance en brûle plus de 7 000 tonnes. Et le Soleil brille depuis 4,6 milliards d'années sans s'épuiser.
D'où vient cette énergie gigantesque, et pourquoi les réactions nucléaires sont-elles des millions de fois plus énergétiques que les réactions chimiques ?
I. Les réactions nucléaires provoquées
Une réaction nucléaire est provoquée lorsqu'un noyau se transforme sous l'effet d'un projectile : neutron, proton, particule α, autre noyau. En 1919, Rutherford réalise la première transmutation en bombardant de l'azote avec des particules α :
Comme les réactions spontanées, les réactions provoquées conservent le nombre de masse et le nombre de charge. L'énergie libérée (énergie cinétique des produits et rayonnement γ) provient de la perte de masse :
II. La fission nucléaire
1. Définition
La fission est une réaction au cours de laquelle un noyau lourd, frappé par un neutron, se scinde en deux noyaux plus légers, de masses comparables, en libérant quelques neutrons.
Les noyaux capables de subir la fission sont dits fissiles : l'uranium 235 (0,7 % de l'uranium naturel), l'uranium 233 et le plutonium 239. Pour l'uranium 235, la fission est provoquée par des neutrons lents (dits thermiques) : un neutron n'est pas repoussé par le noyau, puisqu'il n'est pas chargé.
2. Équation d'une fission
Un même noyau peut se briser de nombreuses façons. Par exemple :
N'oubliez pas le neutron incident dans le bilan : pour 10n + AZX A1Z1X1 + A2Z2X2 + k 10n, la conservation donne Z1 + Z2 = Z et A1 + A2 + k = A + 1.
3. L'énergie libérée
Masses des noyaux : m(U) = 234,99342 u ; m(Sr) = 93,89450 u ; m(Xe) = 139,89199 u ; m(n) = 1,00866 u.
Δm = (234,99342 + 1,00866) - (93,89450 + 139,89199 + 2 × 1,00866) = 0,19827 u
W = Δm × 931,5 = 185 MeV, soit 2,96.10-11 J par fission.
Une fission libère environ 200 MeV. La courbe d'Aston l'explique : les fragments (A voisin de 90 à 140, El/A ≈ 8,5 MeV) sont plus liés que l'uranium (El/A ≈ 7,6 MeV) ; le gain d'environ 0,9 MeV pour chacun des 235 nucléons est libéré.
Rapportée à la masse, l'énergie est énorme : un gramme d'uranium 235 contient 2,6.1021 noyaux et libère environ 8.1010 J, autant que la combustion de 2 tonnes de pétrole.
4. La réaction en chaîne
Chaque fission libère 2 ou 3 neutrons, qui peuvent à leur tour provoquer des fissions : c'est la réaction en chaîne.
• Si plus d'un neutron par fission provoque une nouvelle fission, le nombre de fissions croît exponentiellement : c'est l'explosion d'une bombe atomique (bombe A).
• Dans un réacteur, on garde en moyenne un neutron utile par fission : la réaction en chaîne est contrôlée et la puissance constante.
5. La centrale nucléaire
Dans le cœur du réacteur, le combustible (uranium enrichi en uranium 235) est entouré d'un modérateur (de l'eau) qui ralentit les neutrons, et de barres de contrôle qui absorbent les neutrons en excès. L'énergie des fissions chauffe l'eau du circuit primaire ; dans le générateur de vapeur, elle vaporise l'eau d'un second circuit. La vapeur fait tourner une turbine couplée à un alternateur, puis elle est condensée.
Mimba-Educ ouvre bientôt
Tu as découvert le début de ce cours. La suite s'ouvrira le 22 novembre 2026, jour de l'ouverture officielle du site.
Visiter un autre cours