Fission et fusion nucléaires

La fission nucléaire scinde un noyau très lourd en noyaux plus petits. La fusion nucléaire réunit des noyaux légers pour former un noyau plus lourd. Toutes deux peuvent libérer de l’énergie, mais seulement si les noyaux finaux sont plus fortement liés que les noyaux de départ.

Cette condition est plus importante que les verbes « scinder » ou « réunir ». Si les produits ont une énergie de liaison par nucléon plus élevée, la masse au repos totale diminue légèrement et la différence peut apparaître sous forme d’énergie libérée :

$$E = \Delta m c^2$$

S’il faut retenir une seule idée, retenez celle-ci : les réactions ont tendance à libérer de l’énergie lorsqu’elles rapprochent les noyaux de la région fer-nickel, où l’énergie de liaison par nucléon est relativement élevée.

Ce qu’est la fission nucléaire

Dans la fission nucléaire, un noyau très lourd se brise en deux noyaux plus petits, souvent avec des neutrons libres et un rayonnement gamma. Un exemple classique est celui d’un noyau d’uranium qui absorbe un neutron puis devient suffisamment instable pour se scinder.

La fission est surtout favorable pour les noyaux très lourds. Ils peuvent abaisser l’énergie du système en se transformant en noyaux de masse intermédiaire qui sont plus fortement liés par nucléon.

Dans certains matériaux, les neutrons émis peuvent déclencher d’autres événements de fission. Cela rend possible une réaction en chaîne, mais seulement si le bilan en neutrons et la configuration physique le permettent.

Ce qu’est la fusion nucléaire

Dans la fusion nucléaire, deux noyaux légers se combinent pour former un noyau plus lourd. Dans les étoiles, la fusion est la principale source d’énergie. Sur Terre, la recherche sur la fusion vise à créer des conditions dans lesquelles les noyaux légers peuvent s’approcher suffisamment pour que l’interaction nucléaire forte surmonte leur répulsion électrique.

La fusion est surtout favorable pour les noyaux très légers. Lorsque ces noyaux se combinent pour former un noyau un peu plus lourd, le produit peut être plus fortement lié par nucléon, donc la réaction peut libérer de l’énergie.

Cela ne signifie pas que la fusion est facile à amorcer. Comme les noyaux chargés positivement se repoussent, la fusion exige généralement une température extrêmement élevée et un confinement suffisant pour que des collisions utiles aient lieu.

Pourquoi les deux peuvent libérer de l’énergie

L’énergie de liaison est l’énergie associée au maintien de la cohésion d’un noyau. Une énergie de liaison par nucléon plus élevée signifie généralement qu’un noyau est plus stable.

Si vous tracez l’énergie de liaison par nucléon en fonction du nombre de masse, la courbe monte pour les noyaux légers, atteint un maximum assez large autour de la région fer-nickel, puis redescend lentement pour les noyaux très lourds.

Cette seule courbe explique les deux processus :

• Les noyaux légers peuvent libérer de l’énergie en fusionnant vers le maximum.
• Les noyaux très lourds peuvent libérer de l’énergie en subissant une fission vers le maximum.

Les noyaux proches du maximum ne gagnent pas grand-chose à se scinder ou à se combiner, ce qui explique pourquoi toutes les réactions nucléaires ne libèrent pas de l’énergie.

Exemple guidé : utiliser la courbe d’énergie de liaison

Supposons que vous vouliez prévoir si une réaction nucléaire est susceptible de libérer de l’énergie sans mémoriser de nombreux cas particuliers. Utilisez une seule question : après la réaction, les noyaux sont-ils plus proches du maximum de la courbe de l’énergie de liaison par nucléon ?

Prenez un noyau lourd comme l’uranium. S’il se scinde en noyaux de masse intermédiaire, les produits se rapprochent davantage de la région fer-nickel que le noyau initial. Cela signifie que les noyaux finaux sont généralement plus fortement liés, donc la masse au repos totale est légèrement plus faible et de l’énergie peut être libérée.

Comparez maintenant cela à deux noyaux très légers, comme des isotopes de l’hydrogène. S’ils fusionnent pour former un noyau plus lourd plus proche du même maximum, l’état final est lui aussi plus fortement lié. La logique est identique même si la réaction a un aspect différent.

Le critère énergétique est donc le même dans les deux cas :

$$\text{noyaux finaux plus fortement liés} \Rightarrow \text{énergie libérée}$$

C’est la manière la plus claire de comparer la fission et la fusion sans se perdre dans des règles séparées.

Fission et fusion en pratique

La fission commence généralement avec des noyaux très lourds, peut produire des neutrons supplémentaires et peut entretenir une réaction en chaîne dans les bonnes conditions.

La fusion commence généralement avec des noyaux très légers, ne repose pas de la même manière sur une réaction en chaîne pilotée par les neutrons, et exige des conditions extrêmes pour surmonter la répulsion électrostatique.

Toutes deux peuvent libérer de grandes quantités d’énergie par réaction par rapport aux réactions chimiques ordinaires, car les énergies de liaison nucléaires sont bien plus grandes que les énergies de liaison mises en jeu en chimie.

Erreurs fréquentes sur la fission et la fusion

Penser que scinder libère toujours de l’énergie

Ce n’est pas le cas. La fission est énergétiquement favorable surtout pour des noyaux suffisamment lourds. Scinder un noyau déjà proche de la région fer-nickel ne libère généralement pas d’énergie de la même manière.

Penser que réunir libère toujours de l’énergie

Ce n’est pas le cas. La fusion libère surtout de l’énergie pour des noyaux légers qui se rapprochent du maximum d’énergie de liaison. Chercher à fusionner des noyaux bien au-delà de cette région ne continue pas à libérer de l’énergie indéfiniment.

Dire que la masse est « détruite »

Ce qui change, c’est la forme de l’énergie dans le système. Si les produits ont une masse au repos plus faible, la différence apparaît sous une autre forme d’énergie, comme l’énergie cinétique ou le rayonnement. L’énergie totale reste conservée.

Confondre réactions nucléaires et réactions chimiques

Les réactions chimiques impliquent les arrangements électroniques et les liaisons chimiques. Les réactions nucléaires impliquent le noyau lui-même, donc l’échelle d’énergie est bien plus grande.

Supposer que la fusion est automatiquement plus propre ou plus simple

La fusion ne produit pas les mêmes fragments de fission qu’un réacteur à fission, mais les systèmes de fusion réels posent tout de même de sérieux défis d’ingénierie, notamment les dommages dus aux neutrons, la gestion du combustible et le confinement.

Où cette idée est utilisée

La fission est utilisée dans les réacteurs nucléaires et est au cœur des discussions sur la conception des réacteurs, les cycles du combustible et le contrôle des neutrons.

La fusion explique comment les étoiles produisent de l’énergie et constitue la base de la recherche moderne sur la fusion, notamment avec les approches par confinement magnétique et confinement inertiel.

L’idée sous-jacente d’énergie de liaison apparaît aussi en astrophysique nucléaire, dans les calculs de défaut de masse et dans les questions sur la stabilité de certains noyaux tandis que d’autres se désintègrent ou réagissent.

Essayez un problème similaire

Essayez votre propre version en commençant par une seule question : la réaction rapproche-t-elle ou éloigne-t-elle les noyaux de la région fer-nickel sur la courbe de l’énergie de liaison par nucléon ? Cette vérification indique généralement si une libération d’énergie est plausible avant même de manipuler des nombres. Si vous voulez étudier un autre cas, GPAI Solver peut vous aider à résoudre pas à pas un problème de défaut de masse ou d’énergie de liaison.