Nucléaire fonctionnement

I-L ‘arsenal nucléaire français est aujourd’hui une force de frappe opérationnelle

3) Des missiles à la pointe de la technologie.

1. fonctionnement du  nucléaire

Il existe deux types de réactions nucléaires. Nous avons tout d’abord la fission et ensuite la fusion thermonucléaire. Si l’on compare aux autres réactions, les réactions nucléaires nécessitent peu de réactifs et produisent beaucoup d’énergie ; c’est pourquoi elle sont très intéressantes notamment dans le domaine militaire.

La fission nucléaire consiste à faire éclater un noyau lourd fissile (noyau contenant plus de 82 neutrons ce qui le fragilise et lui donne la capacité de se diviser en 2) en deux noyaux  fils plus légers. Les éléments instables qui se désintègrent, c’est à dire qui expulsent un ou des nucléons pour devenir des éléments stables, sont dits radioactifs (exemple : L’uranium 235 ou le Plutonium 239). Plus rarement, ces noyaux peuvent se diviser en deux lorsqu’ils sont trop lourds, c’est la fission nucléaire. Ce principe est réutilisé en physique nucléaire, et cette réaction est recréée artificiellement en bombardant de neutrons des noyaux lourds fissiles. En effet le neutron est la particule parfaite pour cette réaction, étant électriquement nul il intègre très facilement le noyau.

Lors de la fragmentation du noyau père en deux noyaux plus légers qui sont excités et qui émettent donc des rayonnements gamma (rayons électromagnétiques ayant une longueur d’onde faible, ces rayons sont transmis grâce au photon: une particule élémentaire), de plus des neutrons sont expulsés (2 ou 3) et une forte quantité d’énergie est produite. En effet le noyau qui subit la fission a une masse légèrement plus importante que celle de tout les produits issus de la réaction ; ce défaut de masse ( de la masse initiale) n’a pas disparue, elle s’est transformée en énergie, c’est cette équivalence entre masse et énergie que met en évidence Einstein dans la relation suivante :  où  représente la quantité d’énergie libérée en Joules,  est la différence de masse entre l’ensemble des produits et le noyau père en kg et c est la vitesse de la lumière, elle vaut exactement 299 792 458 m/s (arrondie à 3,0*10^8 m/s). 82,5 de l’énergie libérée est l’énergie cinétique des produits de la fission, c’est à dire l’énergie que possèdent les éléments du fait de leurs mouvements (elle s’exprime en joules et vaut ½.m.v2). [pic 1][pic 2][pic 3][pic 4][pic 5]

Les noyaux fils issus de la réaction peuvent être stables ou instables. Lorsqu’ils sont instables ils cherchent à se stabiliser en émettant un rayonnement ; ces rayonnements sont de trois types :

• Rayonnements alpha qui sont l’émission de protons et de neutrons sous la forme d’atome d’hélium. Il suffit de quelques centimètres d’air ou d’une feuille de papier pour arrêter ce type de rayonnements.                                                                                                  Soit X le noyau père et Y le noyau fils, A le nombre de nucléons initial et Z le nombre de protons initial ; l'équation de désintégration  s'écrit de la manière suivante:                                                )[pic 6][pic 7]
• Rayonnements beta : la radioactivité bêta moins est l’émission par un neutron d’un électron (la particule ) et d’un antineutrino (antiparticule du neutrino : une particule élémentaire) ; le neutron devient un proton.[pic 8]

Soit X le noyau père et Y le noyau fils, A le nombre de nucléons initial et Z le nombre de protons initial ; l'équation de désintégration  s'écrit de la manière suivante: [pic 9][pic 10]

[pic 11]

La radioactivité bêta plus est l’émission par un proton d’un positron (la particule ; c’est l’antiparticule de l’électron) et d’un neutrino ; le proton devient un neutron.[pic 12]

Soit X le noyau père et Y le noyau fils, A le nombre de nucléons initial et Z le nombre de protons initial ; l'équation de désintégration  s'écrit de la manière suivante:[pic 13]

 [pic 14]

• Rayonnements gamma : c’est l’émission par le noyau de  photons (particules composants la lumière) ; ces rayonnements sont dits ionisants car ils transforment les atomes qu’ils traversent en ions (ils leur font perdre ou gagner un ou des électrons).

La période (ou demi-vie) de ces noyaux fils qui émettent des rayonnements est le temps au bout du quel la moitié de ces atomes ce seront désintégrés naturellement. On peut citer l’exemple du césium 137 qui a une période de 30 ans, c’est à dire que sur 5 grammes de Césium, il n’en restera que 2,5 grammes 30 ans plus tard.

Les neutrons émis lors de la fission nucléaire peuvent à leur tour rencontrer d’autres noyaux fissiles et donc provoquer une autre fission, ce qui dégageras de nouveaux neutrons qui pourront une fois de plus provoquer une fission et ainsi de suite. C’est le principe de la réaction en chaîne.

Le phénomène de la fusion se produit notamment dans les étoiles telles que le Soleil, à très haute température (plusieurs millions de degrés), les atomes perdent leurs électrons, les différents noyaux chargés positivement se repoussent fortement mais certains fusionnent pour donner un noyau plus gros et plus lourd. Des recherches ont montré que la fusion qui produit le plus d’énergie est celle du deutérium (un proton et un neutron) et du tritium (un proton et deux neutrons) qui sont tout les deux des isotopes (même nombre de protons) de l’hélium. Cette fusion produit un atome d’hélium (particule ), un neutron et de l’énergie. Pour que la fusion puisse avoir lieu, les atomes sont portés à une température qui atteint les 150 millions de degrés, pour que la matière se transforme en plasma, le quatrième état de la matière où les atomes du gaz ont perdus leurs électrons. A cette température les gaz sont très excités et l’énergie cinétique des noyaux est supérieure aux forces électrostatiques qui leur permet de se repousser. Comme pour la fusion nucléaire, la masse des produits issus de la réaction est légèrement inférieure à la masse des noyaux pères, cette différence de masse s’est transformée en énergie. La même formule de Einstein s’applique : .[pic 15][pic 16]

1. Mise en pratique du nucléaire dans les bombes nucléaires

Il existe deux types de bombes nucléaires la bombe A qui utilise le principe de la fission et la bombe H qui utilise le principe de la fusion.

Le but dans la bombe A est de déclencher la réaction de fission en chaîne.

L’utilisation de cordite (un explosif conventionnel) permet de propulser une petite quantité d’uranium sur une grosse quantité d’uranium ; ces deux parties ne font donc plus qu’une et l’uranium doit avoir atteint grâce à cette assemblage une masse critique; c’est à dire une masse d’uranium pour laquelle la réaction en chaîne peut avoir lieu ce qui permet l’explosion nucléaire. Les deux blocs d’uranium une fois assemblés dégagent lors de la fission de nombreux neutrons, pour éviter qu’ils soient perdus, un réflecteur est placé tout autour du bloc, ce qui permet d’éviter une perte de neutrons et de rendre donc le fission encore plus efficace. De plus la masse surcritique doit être assez concentrée pendant un millionième de seconde pour que la réaction en chaîne puisse se propager, c’est pourquoi le modérateur (matériau lourd) entoure lui aussi les deux blocs assemblés pour garder la cochésion de l’uranium pendant ce laps de temps.

Les deux unités d’uranium sont séparées avant l’explosion de la bombe car si elles étaient réunis, la masse critique aurait été atteinte et la désintégration naturelle de l’uranium aurait déjà conduit à l’explosion de la bombe.

Il existe un second type de bombe A, beaucoup plus moderne, la bombe à implosion qui consiste à comprimer, par une série d’explosion, la matière métallique, sous forme de sphère ; cela permet d’atteindre la masse sur-critique et de déclencher la fission. Pour que la réaction commence bien, l’injection d’un flux de neutrons, par  « l’initiateur » est nécessaire.

La bombe H, ou encore appelée bombe thermonucléaire fonctionne sur le principe de la fusion. Pour déclencher la fusion il faut atteindre une température très élevée que seul la bombe A peut atteindre. L’explosif dans un premier temps permet de comprimer le plutonium et de démarrer la réaction de fission, qui émet des rayons X diffusés à l’intérieur de la bombe et notamment dans la mousse en polystyrène qui devient plasma et comprime alors la seconde partie de la bombe, le plutonium où se fissionne, comme le deutérium et le lithium (éléments fusibles) sont comprimés et chauffés la fusion peut avoir lieu et elle entraine, grâce à son flux de neutrons une autre fission le l’uranium 238.