Fission et fusion nucléaires

La fusion nucléaire et la fission nucléaire sont différents types de réactions qui libèrent de l'énergie en raison de la présence de liaisons atomiques de grande puissance entre les particules trouvées dans un noyau. Dans la fission, un atome est divisé en deux ou plusieurs atomes plus petits et plus légers. La fusion, en revanche, se produit lorsque deux ou plusieurs atomes plus petits fusionnent, créant un atome plus grand et plus lourd.

Tableau de comparaison

Tableau comparatif de la fission nucléaire et de la fusion nucléaire
Fission nucléaire La fusion nucléaire
DéfinitionLa fission est la division d'un gros atome en deux ou plus petits.La fusion est la fusion de deux ou plusieurs atomes plus légers en un plus grand.
Présence naturelle du processusLa réaction de fission ne se produit pas normalement dans la nature.La fusion se produit dans les étoiles, comme le soleil.
Sous-produits de la réactionLa fission produit de nombreuses particules hautement radioactives.Peu de particules radioactives sont produites par réaction de fusion, mais si un "déclencheur" de fission est utilisé, des particules radioactives en résulteront.
ConditionsUne masse critique de la substance et des neutrons à grande vitesse sont nécessaires.Un environnement haute densité et haute température est requis.
Besoin énergétiquePrend peu d'énergie pour diviser deux atomes dans une réaction de fission.Une énergie extrêmement élevée est nécessaire pour amener deux protons ou plus suffisamment près pour que les forces nucléaires surmontent leur répulsion électrostatique.
Énergie libéréeL'énergie libérée par la fission est un million de fois supérieure à celle libérée lors des réactions chimiques, mais inférieure à l'énergie libérée par la fusion nucléaire.L'énergie dégagée par la fusion est trois à quatre fois supérieure à l'énergie dégagée par la fission.
Arme nucléaireUne classe d'armes nucléaires est une bombe à fission, également connue sous le nom de bombe atomique ou bombe atomique.Une bombe à hydrogène, une classe d'armes nucléaires, utilise une réaction de fission pour «déclencher» une réaction de fusion.
Production d'énergieLa fission est utilisée dans les centrales nucléaires.La fusion est une technologie expérimentale de production d'énergie.
CarburantL'uranium est le principal combustible utilisé dans les centrales électriques.Les isotopes de l'hydrogène (Deutérium et Tritium) sont le principal combustible utilisé dans les centrales à fusion expérimentales.

Définitions

Fusion du deutérium avec du tritium créant de l'hélium-4, libérant un neutron et libérant 17, 59 MeV d'énergie.

La fusion nucléaire est la réaction dans laquelle deux noyaux ou plus se combinent, formant un nouvel élément avec un numéro atomique plus élevé (plus de protons dans le noyau). L'énergie libérée lors de la fusion est liée à E = mc 2 (la célèbre équation énergie-masse d'Einstein). Sur Terre, la réaction de fusion la plus probable est la réaction Deutérium-Tritium. Le deutérium et le tritium sont des isotopes de l'hydrogène.

2 1 Deutérium + 3 1 Tritium = 4 2 He + 1 0 n + 17, 6 MeV

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La fission nucléaire est la division d'un noyau massif en photons sous forme de rayons gamma, de neutrons libres et d'autres particules subatomiques. Dans une réaction nucléaire typique impliquant 235U et un neutron:

235 92 U + n = 236 92 U

suivi par

236 92 U = 144 56 Ba + 89 36 Kr + 3 n + 177 MeV

Physique de la fission contre la fusion

Les atomes sont liés par deux des quatre forces fondamentales de la nature: les liens nucléaires faibles et forts. La quantité totale d'énergie contenue dans les liaisons des atomes est appelée énergie de liaison. Plus l'énergie de liaison est maintenue dans les liaisons, plus l'atome est stable. De plus, les atomes essaient de devenir plus stables en augmentant leur énergie de liaison.

Le nucléon d'un atome de fer est le nucléon le plus stable trouvé dans la nature, et il ne fusionne ni ne se divise. C'est pourquoi le fer est au sommet de la courbe d'énergie de liaison. Pour les noyaux atomiques plus légers que le fer et le nickel, l'énergie peut être extraite en combinant des noyaux de fer et de nickel par fusion nucléaire. En revanche, pour les noyaux atomiques plus lourds que le fer ou le nickel, l'énergie peut être libérée en divisant les noyaux lourds par fission nucléaire.

L'idée de diviser l'atome est née du travail du physicien britannique né en Nouvelle-Zélande Ernest Rutherford, qui a également conduit à la découverte du proton.

Conditions de fission et de fusion

La fission ne peut se produire que dans les grands isotopes qui contiennent plus de neutrons que de protons dans leurs noyaux, ce qui conduit à un environnement légèrement stable. Bien que les scientifiques ne comprennent pas encore parfaitement pourquoi cette instabilité est si utile pour la fission, la théorie générale est que le grand nombre de protons crée une forte force répulsive entre eux et que trop peu ou trop de neutrons créent des «lacunes» qui provoquent un affaiblissement de la liaison nucléaire, conduisant à la décroissance (rayonnement). Ces gros noyaux avec plus de «lacunes» peuvent être «divisés» par l'impact des neutrons thermiques, appelés neutrons «lents».

Les conditions doivent être réunies pour qu'une réaction de fission se produise. Pour que la fission soit autosuffisante, la substance doit atteindre la masse critique, la quantité minimale de masse requise; ne pas atteindre la masse critique limite la durée de la réaction à quelques microsecondes. Si la masse critique est atteinte trop rapidement, ce qui signifie qu'un trop grand nombre de neutrons sont libérés en nanosecondes, la réaction devient purement explosive et aucune libération puissante d'énergie ne se produit.

Les réacteurs nucléaires sont principalement des systèmes à fission contrôlée qui utilisent des champs magnétiques pour contenir des neutrons parasites; cela crée un rapport d'environ 1: 1 de libération de neutrons, ce qui signifie qu'un neutron émerge de l'impact d'un neutron. Comme ce nombre variera dans des proportions mathématiques, selon ce que l'on appelle la distribution gaussienne, le champ magnétique doit être maintenu pour que le réacteur fonctionne et des barres de contrôle doivent être utilisées pour ralentir ou accélérer l'activité des neutrons.

La fusion se produit lorsque deux éléments plus légers sont forcés ensemble par une énergie énorme (pression et chaleur) jusqu'à ce qu'ils fusionnent dans un autre isotope et libèrent de l'énergie. L'énergie nécessaire pour démarrer une réaction de fusion est si grande qu'il faut une explosion atomique pour produire cette réaction. Pourtant, une fois que la fusion commence, elle peut théoriquement continuer à produire de l'énergie tant qu'elle est contrôlée et que les isotopes de fusion de base sont fournis.

La forme de fusion la plus courante, qui se produit dans les étoiles, est appelée «fusion DT», désignant deux isotopes de l'hydrogène: le deutérium et le tritium. Le deutérium a 2 neutrons et le tritium en a 3, plus qu'un proton d'hydrogène. Cela rend le processus de fusion plus facile car seule la charge entre deux protons doit être surmontée, car la fusion des neutrons et du proton nécessite de surmonter la force répulsive naturelle des particules similaires (les protons ont une charge positive, par rapport au manque de charge des neutrons). ) et une température - pour un instant - de près de 81 millions de degrés Fahrenheit pour la fusion DT (45 millions de Kelvin ou légèrement moins en degrés Celsius). À titre de comparaison, la température centrale du soleil est d'environ 27 millions de F (15 millions de C). [1]

Une fois cette température atteinte, la fusion résultante doit être contenue suffisamment longtemps pour générer du plasma, l'un des quatre états de la matière. Le résultat d'un tel confinement est une libération d'énergie de la réaction DT, produisant de l'hélium (un gaz noble, inerte à chaque réaction) et des neutrons de rechange qui peuvent "ensemencer" l'hydrogène pour plus de réactions de fusion. À l'heure actuelle, il n'existe aucun moyen sûr d'induire la température de fusion initiale ou de contenir la réaction de fusion pour atteindre un état plasmatique stable, mais des efforts sont en cours.

Un troisième type de réacteur est appelé réacteur surgénérateur. Il fonctionne en utilisant la fission pour créer du plutonium qui peut ensemencer ou servir de combustible à d'autres réacteurs. Les réacteurs surgénérateurs sont largement utilisés en France, mais sont d'un coût prohibitif et nécessitent des mesures de sécurité importantes, car la production de ces réacteurs peut également être utilisée pour fabriquer des armes nucléaires.

Réaction en chaîne

Les réactions nucléaires de fission et de fusion sont des réactions en chaîne, ce qui signifie qu'un événement nucléaire provoque au moins une autre réaction nucléaire, et généralement plus. Le résultat est un cycle croissant de réactions qui peuvent rapidement devenir incontrôlées. Ce type de réaction nucléaire peut être de multiples divisions d'isotopes lourds (par exemple 235 U) ou la fusion d'isotopes légers (par exemple 2H et 3H).

Des réactions de fission en chaîne se produisent lorsque des neutrons bombardent des isotopes instables. Ce type de processus "d'impact et de diffusion" est difficile à contrôler, mais les conditions initiales sont relativement simples à réaliser. Une réaction en chaîne par fusion ne se développe que dans des conditions de pression et de température extrêmes qui restent stables grâce à l'énergie libérée dans le processus de fusion. Les conditions initiales et les champs de stabilisation sont très difficiles à réaliser avec la technologie actuelle.

Rapports énergétiques

Les réactions de fusion libèrent 3 à 4 fois plus d'énergie que les réactions de fission. Bien qu'il n'y ait pas de systèmes de fusion basés sur la Terre, le rendement du soleil est typique de la production d'énergie de fusion en ce qu'il convertit constamment les isotopes de l'hydrogène en hélium, émettant des spectres de lumière et de chaleur. La fission génère son énergie en décomposant une force nucléaire (la puissante) et en libérant d'énormes quantités de chaleur qui sont utilisées pour chauffer l'eau (dans un réacteur) pour ensuite générer de l'énergie (électricité). La fusion surmonte 2 forces nucléaires (forte et faible), et l'énergie libérée peut être utilisée directement pour alimenter un générateur; ainsi non seulement plus d'énergie est libérée, mais elle peut également être exploitée pour une application plus directe.

Utilisation d'énergie nucléaire

Le premier réacteur nucléaire expérimental pour la production d'énergie a commencé à fonctionner à Chalk River, en Ontario, en 1947. La première installation d'énergie nucléaire aux États-Unis, le Experimental Breeder Reactor-1, a été lancée peu après, en 1951; il pourrait allumer 4 ampoules. Trois ans plus tard, en 1954, les États-Unis lancent leur premier sous-marin nucléaire, l'USS Nautilus, tandis que l'URSS lance le premier réacteur nucléaire au monde pour la production d'électricité à grande échelle, à Obninsk. Les États-Unis ont inauguré leur usine de production d'énergie nucléaire un an plus tard, éclairant Arco, Idaho (1 000 habitants).

La première installation commerciale de production d'énergie utilisant des réacteurs nucléaires a été la centrale de Calder Hall, à Windscale (aujourd'hui Sellafield), en Grande-Bretagne. Il a également été le site du premier accident d'origine nucléaire en 1957, lorsqu'un incendie s'est déclaré en raison de fuites de rayonnement.

La première centrale nucléaire américaine à grande échelle a ouvert ses portes à Shippingport, en Pennsylvanie, en 1957. Entre 1956 et 1973, près de 40 réacteurs nucléaires de production d'électricité ont été lancés aux États-Unis, le plus grand étant l'Unité 1 de la centrale nucléaire de Zion dans l'Illinois, avec un capacité de 1 155 mégawatts. Aucun autre réacteur commandé depuis n'a été mis en ligne, bien que d'autres aient été lancés après 1973.

Les Français ont lancé leur premier réacteur nucléaire, le Phénix, capable de produire 250 mégawatts d'électricité, en 1973. Le réacteur le plus puissant producteur d'énergie aux États-Unis (1 315 MW) a ouvert ses portes en 1976, à la centrale Trojan Power Plant dans l'Oregon. En 1977, les États-Unis comptaient 63 centrales nucléaires en activité, fournissant 3% des besoins énergétiques du pays. 70 autres devaient être mis en ligne en 1990.

L'unité deux à Three Mile Island a subi une fusion partielle, libérant des gaz inertes (xénon et krypton) dans l'environnement. Le mouvement antinucléaire s'est renforcé grâce aux craintes suscitées par l'incident. Les craintes ont été encore plus alimentées en 1986, lorsque l'unité 4 de l'usine de Tchernobyl en Ukraine a subi une réaction nucléaire incontrôlée qui a fait exploser l'installation, répandant des matières radioactives dans toute la région et une grande partie de l'Europe. Au cours des années 1990, l'Allemagne et surtout la France ont agrandi leurs centrales nucléaires en se concentrant sur des réacteurs plus petits et donc plus contrôlables. La Chine a inauguré ses 2 premières installations nucléaires en 2007, produisant un total de 1 866 MW.

Bien que l'énergie nucléaire occupe le troisième rang derrière le charbon et l'hydroélectricité en termes de puissance mondiale produite, la volonté de fermer les centrales nucléaires, couplée à l'augmentation des coûts de construction et d'exploitation de telles installations, a créé un recul de l'utilisation de l'énergie nucléaire pour l'énergie. La France est leader mondial en pourcentage d'électricité produite par les réacteurs nucléaires, mais en Allemagne, le solaire a dépassé le nucléaire en tant que producteur d'énergie.

Les États-Unis ont encore plus de 60 installations nucléaires en service, mais les initiatives de vote et l'âge des réacteurs ont fermé des usines en Oregon et à Washington, tandis que des dizaines d'autres sont ciblées par des manifestants et des groupes de protection de l'environnement. À l'heure actuelle, seule la Chine semble étendre son nombre de centrales nucléaires, car elle cherche à réduire sa forte dépendance au charbon (le principal facteur de son taux de pollution extrêmement élevé) et à chercher une alternative à l'importation de pétrole.

Préoccupations

La peur de l'énergie nucléaire vient de ses extrêmes, à la fois comme arme et comme source d'énergie. La fission d'un réacteur crée des déchets qui sont intrinsèquement dangereux (voir ci-dessous) et pourraient convenir aux bombes sales. Bien que plusieurs pays, tels que l'Allemagne et la France, aient d'excellents antécédents avec leurs installations nucléaires, d'autres exemples moins positifs, tels que ceux observés à Three Mile Island, Tchernobyl et Fukushima, ont fait beaucoup hésiter à accepter l'énergie nucléaire, même si elle est beaucoup plus sûr que les combustibles fossiles. Les réacteurs à fusion pourraient un jour être la source d'énergie abordable et abondante qui est nécessaire, mais seulement si les conditions extrêmes nécessaires pour créer la fusion et la gérer peuvent être résolues.

Déchets nucléaires

Le sous-produit de la fission est un déchet radioactif qui met des milliers d'années à perdre ses niveaux dangereux de rayonnement. Cela signifie que les réacteurs à fission nucléaire doivent également disposer de garanties pour ces déchets et leur transport vers des sites de stockage ou de décharge inhabités. Pour plus d'informations à ce sujet, lisez la gestion des déchets radioactifs.

Présence naturelle

Dans la nature, la fusion se produit dans les étoiles, comme le soleil. Sur Terre, la fusion nucléaire a d'abord été réalisée avec la création de la bombe à hydrogène. La fusion a également été utilisée dans différents appareils expérimentaux, souvent dans l'espoir de produire de l'énergie de manière contrôlée.

D'un autre côté, la fission est un processus nucléaire qui ne se produit pas normalement dans la nature, car il nécessite une masse importante et un neutron incident. Néanmoins, il y a eu des exemples de fission nucléaire dans les réacteurs naturels. Cela a été découvert en 1972 lorsque des gisements d'uranium provenant d'une mine d'Oklo, au Gabon, ont subi une réaction de fission naturelle il y a environ 2 milliards d'années.

Effets

En bref, si une réaction de fission devient incontrôlable, soit elle explose, soit le réacteur qui la génère fond en un gros tas de scories radioactives. De telles explosions ou effondrements libèrent des tonnes de particules radioactives dans l'air et dans toute surface voisine (terre ou eau), la contaminant à chaque minute où la réaction continue. En revanche, une réaction de fusion qui perd le contrôle (devient déséquilibrée) ralentit et baisse la température jusqu'à ce qu'elle s'arrête. C'est ce qui arrive aux étoiles qui brûlent leur hydrogène en hélium et perdent ces éléments au cours de milliers de siècles d'expulsion. La fusion produit peu de déchets radioactifs. S'il y a des dommages, cela se produira dans les environs immédiats du réacteur à fusion et à peu près.

Il est beaucoup plus sûr d'utiliser la fusion pour produire de l'énergie, mais la fission est utilisée car il faut moins d'énergie pour diviser deux atomes que pour fusionner deux atomes. De plus, les défis techniques liés au contrôle des réactions de fusion n'ont pas encore été surmontés.

Utilisation d'armes nucléaires

Toutes les armes nucléaires nécessitent une réaction de fission nucléaire pour fonctionner, mais les bombes à fission "pures", celles qui utilisent une réaction de fission seule, sont appelées bombes atomiques ou atomiques. Les bombes atomiques ont été testées pour la première fois au Nouveau-Mexique en 1945, au plus fort de la Seconde Guerre mondiale. La même année, les États-Unis les ont utilisées comme arme à Hiroshima et Nagasaki, au Japon.

Depuis la bombe atomique, la plupart des armes nucléaires qui ont été proposées et / ou conçues ont amélioré la ou les réactions de fission d'une manière ou d'une autre (par exemple, voir arme à fission boostée, bombes radiologiques et bombes à neutrons). L'arme thermonucléaire - une arme qui utilise à la fois la fission et la fusion à base d'hydrogène - est l'une des avancées d'armes les plus connues. Bien que la notion d'arme thermonucléaire ait été proposée dès 1941, ce n'est qu'au début des années 1950 que la bombe à hydrogène (bombe H) a été testée pour la première fois. Contrairement aux bombes atomiques, les bombes à hydrogène n'ont pas été utilisées dans la guerre, seulement testées (par exemple, voir Tsar Bomba).

À ce jour, aucune arme nucléaire n'utilise la fusion nucléaire à elle seule, bien que les programmes gouvernementaux de défense aient fait des recherches considérables sur une telle possibilité.

Coût

La fission est une forme puissante de production d'énergie, mais elle s'accompagne d'inefficacités intégrées. Le combustible nucléaire, généralement l'uranium 235, coûte cher à extraire et à purifier. La réaction de fission crée de la chaleur qui est utilisée pour faire bouillir l'eau pour la vapeur pour faire tourner une turbine qui génère de l'électricité. Cette transformation de l'énergie thermique en énergie électrique est lourde et coûteuse. Une troisième source d'inefficacité est que le nettoyage et le stockage des déchets nucléaires sont très coûteux. Les déchets sont radioactifs, nécessitent une élimination appropriée et la sécurité doit être stricte pour assurer la sécurité publique.

Pour que la fusion se produise, les atomes doivent être confinés dans le champ magnétique et élevés à une température de 100 millions de Kelvin ou plus. Cela nécessite une énorme quantité d'énergie pour initier la fusion (les bombes atomiques et les lasers fourniraient cette "étincelle"), mais il faut également contenir correctement le champ de plasma pour une production d'énergie à long terme. Les chercheurs tentent toujours de surmonter ces défis car la fusion est un système de production d'énergie plus sûr et plus puissant que la fission, ce qui signifie qu'elle coûterait finalement moins cher que la fission.

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