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Les types de transformations nucléaires : fission et fusion nucléaires

Depuis le 20e siècle, l'être humain est capable de provoquer artificiellement des transformations nucléaires. Il utilise ces transformations pour, entre autres, répondre à une partie de ses besoins énergétiques. On peut distinguer deux types de transformations nucléaires:

La fission nucléaire

La fission nucléaire est une réaction nucléaire au cours de laquelle un noyau atomique se scinde en deux ou plusieurs noyaux plus légers.

Le terme «fission» vient du latin fissus qui signifie «fendu». Ainsi, lors de la fission nucléaire, certains noyaux atomiques instables se scindent en deux noyaux plus légers plutôt que d'émettre une particule atomique alpha ou bêta. Ce phénomène se déroule de façon naturelle et spontanée dans les noyaux instables très lourds contenant beaucoup de protons et de neutrons. Toutefois, on peut également provoquer artificiellement la fission nucléaire dans un réacteur nucléaire dans le but de produire de la chaleur, puis de l'électricité. La fission nucléaire est d'ailleurs la réaction nucléaire la plus utilisée par l'être humain.

La fission nucléaire artificielle se produit lorsque le noyau atomique d'un élément lourd absorbe un neutron supplémentaire. La fission nucléaire de l'uranium 235 en est un exemple (image ci-dessous). Lorsqu'un noyau d'uranium 235 absorbe un neutron, il devient alors de l'uranium 236. Ce dernier est tellement instable qu'il se brise en deux noyaux plus légers. Dans le cas de l'uranium 236, les deux noyaux formés sont du baryum 141 et du krypton 92, deux isotopes radioactifs qui font partis des déchets nucléaires de cette transformation.

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En plus de former deux noyaux plus légers, la réaction de fission de l'uranium 235 libère une très grande quantité d'énergie ainsi que trois neutrons se déplaçant à grande vitesse. Ces neutrons peuvent à leur tour déclencher d'autres fissions nucléaires qui, elles-mêmes, libéreront des neutrons supplémentaires. Ainsi, le nombre de neutrons s'accroît à chaque étape du processus, ce qui augmente le nombre de fissions possible: il se produit alors une réaction en chaîne.

La quantité d'énergie libérée lors d'une fission nucléaire est considérable. Par exemple, la fission de l'uranium 235 libère 8,1 x 1013 J par kilogramme d'uranium alors que la combustion d'un kilogramme de charbon en libère 2,7 millions de fois moins. Si on ne contrôle pas la réaction en chaîne, l'énergie est dégagée trop rapidement, ce qui peut provoquer une explosion nucléaire. Dans un réacteur nucléaire, on doit donc contrôler la réaction en chaîne. Pour ce faire, il faut ralentir le déplacement des neutrons émis lors de la fission nucléaire. En modérant la vitesse de la réaction, il est alors possible d'utiliser le potentiel énergétique de la fission pour produire de l'électricité.

La fusion nucléaire

La fusion nucléaire est une réaction nucléaire au cours de laquelle deux noyaux atomiques légers s'assemblent pour former un noyau plus lourd.

La fusion nucléaire implique deux noyaux très légers qui se combinent pour former un noyau plus lourd. Pour qu'une telle fusion puisse se dérouler, les noyaux doivent se rapprocher l'un de l'autre jusqu'à ce que la force nucléaire d'attraction soit supérieure à la force de répulsion électrique entre les noyaux. Un tel phénomène est possible seulement lorsque les noyaux voyagent à de très grandes vitesses. Ainsi, la fusion nucléaire ne peut s'amorcer qu'à des températures très élevées, de l'ordre de plusieurs millions de degrés Celsius. C'est pourquoi, de façon naturelle, ce type de réaction ne se déroule que dans le coeur des étoiles, où il règne de telles températures. De façon artificielle, il est très difficile de reproduire cette réaction. L'homme l'a jusqu'à présent reproduite dans la bombe à hydrogène (bombe H), mais il a dû recourir à la fission nucléaire pour générer l'énergie nécessaire à l'amorce de la fusion nucléaire.

La source d'énergie des étoiles est un phénomène naturel de fusion nucléaire (à gauche); la bombe à hydrogène est une des applications dans laquelle l'homme a utilisé la fusion nucléaire (à droite).
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Un exemple de fusion nucléaire se déroulant dans le coeur des étoiles est la combinaison d'atomes d'hydrogène. Il arrive en effet qu'un noyau d'hydrogène 2 (deutérium) et un noyau d'hydrogène 3 (tritium) entrent en collision et fusionnent pour former un noyau d'hélium. Le noyau formé est alors instable puisqu'il contient trois neutrons pour deux protons. Pour retrouver la stabilité, un neutron et une importante quantité d'énergie sont alors dégagés.

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Le rendement énergétique de la fusion nucléaire est nettement supérieur à celui de la fission nucléaire. Aussi, peu de déchets radioactifs sont produits lors de cette réaction. Pour ces deux raisons, de nombreuses recherches sont effectuées pour arriver un jour à contrôler la fusion nucléaire et ainsi à pouvoir l'utiliser pour combler nos besoins énergétiques.

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