Dans le domaine subatomique régi par les règles de la mécanique quantique, un processus appelé fission fournit la source d'énergie fondamentale pour les bombes atomiques et les réacteurs nucléaires. Ce qui sépare ces deux résultats très différents - l'un violent, l'autre contrôlé - est le concept de critique masse, une ligne de démarcation imaginaire qui détermine si une réaction nucléaire est lente et prolongée ou rapide et de courte durée.
Fission atomique
Les atomes d'éléments instables tels que l'uranium et le plutonium se divisent en paires d'éléments plus légers lorsqu'ils subissent une désintégration radioactive, un processus appelé fission. Par exemple, l'uranium-235 peut se diviser en krypton-89 et baryum-144, une fission qui émet également deux neutrons restants. Les éléments plus légers peuvent également être instables, se poursuivant sous la forme d'une chaîne de désintégration radioactive qui peut inclure une douzaine d'éléments ou plus et prendre des millions d'années pour se terminer.
Réactions en chaîne et hasard
Un noyau d'uranium se scinde en deux éléments plus légers lorsqu'il absorbe un neutron parasite; le neutron déstabilise le noyau, le rendant plus susceptible de subir une fission. Parce qu'une fission produit des neutrons libres, ils peuvent heurter des atomes voisins, les faisant également se séparer, créant une réaction en chaîne d'événements de fission. Comme les réactions nucléaires sont de nature quantique, elles sont régies par les probabilités et le hasard. Lorsque les réactions en chaîne sont moins susceptibles de se produire, elles s'éteignent, car de moins en moins de neutrons déclenchent des fissions successives. Lorsque les circonstances favorisent les réactions en chaîne, les fissions se poursuivent de manière régulière. Et lorsque les fissions sont très probables, les réactions en chaîne s'accélèrent, divisant un nombre croissant d'atomes et libérant leur énergie.
Masse critique
La probabilité de fissions et de réactions en chaîne dépend en partie de la masse de la matière radioactive impliquée. À un point appelé masse critique, les réactions en chaîne sont largement auto-entretenues mais n'augmentent pas. Chaque élément radioactif a une masse critique spécifique pour une sphère de la substance; par exemple, la masse critique de l'uranium-235 est de 56 kg, alors que seulement 11 kg de plutonium-239 sont nécessaires. Les scientifiques qui maintiennent des stocks de matières radioactives les stockent de telle manière que ces quantités ne se produisent jamais dans le même voisinage général; sinon, ils peuvent produire de violentes rafales de radiations mortelles.
Masse sous-critique et supercritique
Pour une substance radioactive de forme sphérique, l'augmentation de la masse augmente le nombre de neutrons émis à un instant donné et la probabilité que les fissions conduisent à des réactions en chaîne. Les quantités inférieures à une masse critique d'un élément radioactif ont des réactions en chaîne, mais elles sont plus susceptibles de disparaître que de continuer. Au-delà de la masse critique, le taux de fissions augmente, conduisant à une situation dangereuse et incontrôlable. Les centrales nucléaires utilisent des quantités sous-critiques d'éléments radioactifs - suffisamment pour produire des quantités généreuses d'énergie mais qui, pour des raisons de sécurité, ne peuvent jamais conduire à une explosion nucléaire. Les bombes atomiques, en revanche, utilisent une quantité de matériaux beaucoup plus proche d'une masse critique. Une bombe atomique reste sous-critique jusqu'à ce qu'elle soit déclenchée par une rafale de neutrons et écrasée par une explosion d'explosifs conventionnels. Les explosifs rendent le matériau momentanément supercritique; les réactions en chaîne deviennent incontrôlables en quelques millionièmes de seconde, libérant l'équivalent énergétique de dizaines de milliers de tonnes de TNT.