Une réaction de fission nucléaire a lieu lorsque les atomes d'un élément instable sont bombardés de neutrons, divisant le noyau de chaque atome en parties plus petites. Si la division de chaque noyau libère plusieurs neutrons à grande vitesse qui peuvent ensuite diviser davantage de noyaux de l'élément, une réaction en chaîne a lieu. À mesure que les neutrons supplémentaires divisent plus de noyaux, plus d'énergie est libérée et la réaction en chaîne peut entraîner une explosion telle que celle d'une bombe nucléaire. Si la réaction en chaîne est contrôlée en éliminant une partie des neutrons supplémentaires, de l'énergie est toujours libérée sous forme de chaleur, mais une explosion peut être évitée. La réaction nucléaire en chaîne est l'un des trois types de réactions nucléaires qui ont des caractéristiques différentes et peuvent être utilisées de différentes manières.
TL; DR (trop long; n'a pas lu)
Une réaction nucléaire en chaîne est une réaction de fission qui libère des neutrons supplémentaires. Les neutrons séparent des atomes supplémentaires libérant encore plus de neutrons. À mesure que le nombre de neutrons émis et le nombre d'atomes divisés augmentent de façon exponentielle, une explosion nucléaire peut en résulter.
Les trois types de réactions nucléaires
Le noyau d'un atome stocke beaucoup d'énergie qui peut servir à des fins utiles. Les trois types de réactions nucléaires qui utilisent l'énergie nucléaire sont le rayonnement, la fission et la fusion. Les machines à rayons X médicales et industrielles utilisent le rayonnement d'éléments radioactifs pour créer des images du corps ou pour tester des matériaux. Les centrales électriques et les armes nucléaires utilisent la fission nucléaire pour produire de l'énergie. La fusion nucléaire alimente le soleil, mais les scientifiques n'ont pas été en mesure de créer une réaction de fusion nucléaire à long terme sur Terre, bien que les efforts se poursuivent. De ces trois types de réactions nucléaires, seule la fission peut créer une réaction en chaîne.
Comment commence une réaction nucléaire en chaîne
La clé d'une réaction nucléaire en chaîne est de s'assurer que la réaction génère des neutrons supplémentaires et que les neutrons divisent plus d'atomes. Parce que l'élément uranium-235 produit plusieurs neutrons pour chaque atome divisé, cet isotope de l'uranium est utilisé dans les réacteurs nucléaires et dans les armes nucléaires.
La forme et la masse de l'uranium influencent si une réaction en chaîne peut avoir lieu. Si la masse d'uranium est trop petite, trop de neutrons sont émis à l'extérieur de l'uranium et sont perdus dans la réaction. Si l'uranium n'a pas la bonne forme, par exemple une feuille plate, trop de neutrons sont également perdus. La forme idéale est une masse solide suffisamment grande pour déclencher la réaction en chaîne. Dans ce cas, les neutrons supplémentaires frappent d'autres atomes et l'effet de multiplication conduit à la réaction en chaîne.
Contrôler ou arrêter une réaction nucléaire en chaîne
La seule façon de contrôler ou d'arrêter une réaction nucléaire en chaîne est d'empêcher les neutrons de diviser plus d'atomes. Des barres de contrôle constituées d'un élément absorbant les neutrons tel que le bore réduisent le nombre de neutrons libres et les retirent de la réaction. Cette méthode permet de contrôler la quantité d'énergie produite par un réacteur et de s'assurer que la réaction nucléaire reste sous contrôle.
Dans une centrale nucléaire, les barres de commande sont montées et descendues dans le combustible à l'uranium. Lorsqu'elles sont complètement abaissées, toutes les barres sont entourées de combustible et absorbent la plupart des neutrons. Dans ce cas, la réaction en chaîne s'arrête. Au fur et à mesure que les tiges sont soulevées, chaque tige absorbe moins de neutrons et la réaction en chaîne s'accélère. De cette façon, les exploitants de la centrale nucléaire peuvent contrôler et arrêter la réaction nucléaire en chaîne.
Problèmes avec les réactions nucléaires en chaîne
Bien que les réactions nucléaires en chaîne dans les centrales électriques du monde entier fournissent des quantités substantielles d'électricité, les centrales nucléaires ont deux problèmes principaux. Premièrement, il existe toujours un risque que le système de contrôle basé sur des barres de contrôle ne fonctionne pas en raison de défaillances techniques, d'erreurs humaines ou de sabotage. Dans ce cas, il pourrait y avoir une explosion ou un dégagement de rayonnement. Deuxièmement, le combustible irradié est hautement radioactif et doit être stocké en toute sécurité pendant des milliers d'années. Ce problème n'est toujours pas résolu et le combustible irradié reste dans la plupart des cas dans diverses centrales nucléaires. En conséquence, les utilisations pratiques des réactions nucléaires en chaîne ont diminué dans de nombreux pays, y compris aux États-Unis.