L'utilisation de l'arme nucléaire pendant la Seconde Guerre mondiale.
C'est en 1938 que Otto Hahn découvre la fission nucléaire en bombardant les noyaux d'Uranium par des neutrons. Il reçoit le prix nobel de physique en 1945 pour cette découverte.
La fission nucléaire est une réaction nucléaire au cours de laquelle un neutron va se faire absorber par un noyau lourd radioactif et qui va provoquer la "rupture" (ou cassure) de ce noyau avec un dégagement d’énergie ainsi que, dans certains cas, l’émission d'autres neutrons pour que ce noyau devienne stable. Seuls les noyaux lourds radioactifs peuvent subir une fission nucléaire.
La réaction de fission nucléaire s'écrit sous la forme d'une équation chimique telle que
Sous l'impact d'un neutron, le noyau d'Uranium 235 va subir une fission en deux noyaux X et Y plus légers avec l'émission d'autres neutrons.
Prenons par exemple cette fission ; sous l'impact d'un neutron, le noyau d'Uranium 235 subit une fission de 2 noyaux plus légers : un noyau de Krypton et un noyau de Baryum avec l'émission de 3 neutrons.
Il faut savoir que la fission nucléaire respecte la loi de conservation du nombre de masse et du numéro atomique, ce qui nous permet de savoir combien de neutrons sont émis lors de cette réaction (en l'occurence 3 ici, pour respecter le nombre de masse des réactifs et des produits).
ATTENTION La fission du noyau d'Uranium 235 ne donne pas toujours un noyau de Krypton et un noyau de Baryum, ce n'est qu'un exemple, il éxiste plein d'autres produits de fission possible.
Schéma d'une fission nucléaire
La réaction en chaîne correspond à l'enchaînement de fissions nucléaires suite aux neutrons émis qui provoque d’autres fissions ce qui émet le dégagement d’une quantité considérable d’énergie à l’origine de l’explosion nucléaire de la bombe atomique mais que nous verrons plus tard. Pour l'instant, il faut savoir que la bombe atomique Little Boy correspond à l'enchaînement de réactions en chaîne non contrôlées de fissions de noyaux d'Uranium 235 et que la bombe atomique de Fat Man correspond cependant à l'enchaînement de réaction en chaîne non contrôlées de fissions de noyaux de Plutonium 239.
Schéma de réaction en chaîne de la fission du noyau d'Uranium 235
Source de la vidéo : http://energie-nucleaire.net/qu-est-ce-que-l-energie-nucleaire/fission-nucleaire
Lorsqu'une réaction nucléaire est exothermique (c'est-à-dire qui produit de la chaleur), la masse des produits est inférieure à la masse des réactifs. Cette diminution de masse se traduit par une libération d'énergie.
On définit la variation de masse Dm (réaction) par :
Dm (réaction) = m (produits) – m (réactifs) avec D = Delta et m = masse
On définit, lors d'une réaction nucléaire, l'énergie libérée par cette formule suivante :
E libérée = |Dm(réaction)|*c² avec E = énergie Dm= variation de masse et c = célérité de la lumière (= 3.00*10^8)
ATTENTION A exprimer en Joule, puis en eV (= électron-volt)
L'unité correspond à l’unité utilisée pour désigner la masse des atomes, soit la masse atomique. Une unité de masse atomique notée u correspond au douzième de la masse d’un atome de l’isotope 12 de l’élément carbone. Soit u = M(C)/Na*1/12 avec M(C) = masse moléculaire de l'atome de Carbone soit 12g/mol et Na = nombre d'avogadro soit 6.02*10^-1
D'où u = 12*10^-3/6,02*10^-1 =1,6602*10^-27kg
Exemple
Calculons l'énergie libérée lors d'une fission nucléaire d'un noyau d'Uranium 235. Soit l'équation suivante :
Nous connaissons les données suivantes
Masse de l'Uranium 235 : m(U) = 234,99343u
Masse du Xénon 139 : m(Xe) = 138,91388u
Masse du Strontium : m(Sr) = 94,856u
Masse d'un neutron : m(n) = 1,00866u
On utilise la formule E=mc² pour trouver l'énergie libérée lors de cette fission nucléaire
DE = |m|*c^2
= [m(Sr) + m(Xe) + 2m(n)-m(U)-m(n)]*c^2
= |93,8946+138,888+2*1,00866-235,013-1,00866|*1,66*10^-27*(3,00*10^8)^2
= 3,18*10^-11 J
=199 MeV
Lors de cette fission nucléaire, une énergie considérable de 3,18*10^-11 (199 Mev) est dégagée.
La masse critique d’un matériau fissile (qui peut subir une fission nucléaire) correspond à la quantité de ce matériau nécessaire pour subir une réaction en chaîne d’une fission nucléaire. Ci-dessous la masse critique de quelques isotopes d’Uranium, de Plutonium et de Neptunium.
Elle est donc nécessaire pour produire un maximum de dégâts pour ce qui concerne les deux bombes atomiques Little Boy et Fat Man. A noter qu’il existe deux types de méthodes d’assemblage pour obtenir cette masse critique pour les bombes atomiques : l’insertion et l’implosion.
On parle également de masse "subcritique" qui désigne la quantité d'un matériau fissible inférieure à la masse critique de celui-ci et de masse supercritique pour parler de la quantité d'un matériau fissible qui dépasse la masse critique, donc qui produit des réactions en chaîne non contrôlées.