Les réactions de fusion et de fission

• Les isotopes
• L'écriture symbolique d'une réaction nucléaire
• Les aspects énergétiques des transformations nucléaires

Une centrale nucléaire produit de l'électricité à partir de l'énergie thermique libérée par les réactions de fission nucléaire. Cette énergie thermique est récupérée par l'eau sous pression (circuit primaire), ce qui permet de générer de la vapeur d'eau (générateur de vapeur) qui met en mouvement une turbine reliée à un alternateur. Cette mise en mouvement permet la production d'électricité.

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le principe de la fission.

L'un des combustibles utilisés dans les centrales nucléaires est l'uranium 235 qui, sous l'impact d'un neutron, se scinde en deux noyaux plus légers. Le nombre et la nature des noyaux produits sont variés : certains sont radioactifs et ont des demi-vies très longues.
Par exemple l'une des équations de fission nucléaire de l'uranium 235 s'écrit :

$\begin{array}{l}{}_{92}^{235}\mathrm{U}+{}_0^1\mathrm{n}⟶{}_{36}^{92}\mathrm{Kr}+{}_{56}^{141}\mathrm{Ba}+3{}_0^1\mathrm{n}\end{array}$

Le tableau ci-dessous donne les propriétés de quelques noyaux radioactifs produits au cours de la fission de l'uranium 235.


Tous ces noyaux présentent une radioactivité ${\beta }^{-}$, c'est-à-dire qu'ils émettent un électron ${}_{-1}^0{e}^{-}$ en se désintégrant.

1. Doc. 3 Donnez la composition du noyau d'uranium 235 et celles des deux noyaux produits lors de la fission.

2. Doc. 2 Justifiez, en étudiant le schéma, que les produits de fission ne sont pas en contact avec l'eau qui circule dans la turbine.

3. Doc. 3 Un échantillon contenant 10²⁰ noyaux d'uranium est bombardé par des neutrons. Combien de noyaux de krypton se forment ? Combien en reste-t-il au bout de 15 secondes ?

4. Doc. 4 Établissez l'équation de la réaction de la fission de l'uranium 235 qui produit le strontium 94 et le xénon 140.

La fusion est une réaction nucléaire au cours de laquelle deux noyaux légers fusionnent pour en former un plus gros, en libérant de l'énergie.
Au cœur d'une étoile, la fusion des noyaux d'hydrogène $\mathrm{H}$ peut s'expliquer notamment avec le cycle CNO (voir le doc. 7).

Ce cycle explique la conversion d'hydrogène $\mathrm{H}$ en hélium $\mathrm{He}$ dans les étoiles. En effet, les particules permettant les transformations successives entre les noyaux d'azote $\mathrm{N}$, de carbone $\mathrm{C}$ et d'oxygène $\mathrm{O}$ correspondent à quatre noyaux d'hydrogène $\mathrm{H}$. Au cours du cycle, un noyau d'hélium $\mathrm{He}$ est produit. Un neutrino $\nu$ est une particule fondamentale de charge nulle et de masse nulle (ou très faible).

Les raisons qui ont poussé certains pays contributeurs à financer le projet ITER sont multiples.
Tout d'abord, les noyaux produits dans une centrale nucléaire à fission classique sont radioactifs, d'une grande variété, et difficiles à traiter. Certains nécessitent d'être enfouis pour éviter que les rayonnements qu'ils émettent ne représentent une menace pour les êtres humains et l'environnement. En ce qui concerne la fusion, les noyaux produits seraient plus légers et non radioactifs.
D'autre part, l'énergie produite par une réaction de fusion est, à masse égale de combustible et en moyenne, quatre fois plus importante que celle produite au cours d'une réaction de fission. Les centrales à fusion seront donc en théorie plus puissantes que les centrales nucléaires classiques à fission.