☀️ Fusion et fission : la courbe d'Aston
Pourquoi l'hydrogène fusionne-t-il dans le Soleil alors que l'uranium se casse dans les centrales ? Tout est écrit sur une seule courbe, celle de l'énergie de liaison par nucléon. Au sommet trônent le fer et le nickel : les noyaux légers y grimpent en fusionnant, les lourds en se brisant. Et à chaque fois, un peu de masse disparaît… pour devenir de l'énergie.
🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.
Ce que tu vois
- La courbe monte très vite pour les noyaux légers (avec un pic pour l'hélium 4, très soudé), atteint un maximum vers le fer et le nickel (≈ 8,8 MeV par nucléon), puis redescend doucement jusqu'à l'uranium (≈ 7,6 MeV).
- En fusion, deux noyaux légers forment un noyau plus lié par nucléon ; en fission, un noyau lourd se casse en deux noyaux plus liés par nucléon. Dans les deux cas, on « monte » vers le sommet de la courbe et de l'énergie est libérée.
- Pour fusionner, deux noyaux chargés positivement doivent vaincre leur répulsion électrique : il faut des températures de l'ordre de 108 °C. Le cœur du Soleil, à « seulement » 1,5 × 107 K, y arrive grâce à sa densité énorme et à l'effet tunnel.
- Après la réaction, la masse totale a diminué : c'est le défaut de masse Δm. L'énergie libérée vaut |Δm| × c², environ 17,6 MeV pour la fusion D-T et 170 à 190 MeV pour une fission.
- Par réaction, une fission libère environ 10 fois plus d'énergie que la fusion D-T ; mais par kilogramme de combustible, la fusion D-T gagne (environ 4 fois plus), et les deux battent le charbon d'un facteur de plusieurs millions.
Expériences à faire
- Survole les points : quel noyau a la plus grande énergie de liaison par nucléon ? Est-ce vraiment le fer 56 ?
- Dans la fusion D-T, pourquoi le neutron part-il avec environ 4 fois plus d'énergie cinétique que le noyau d'hélium ?
- Compare les trois fissions de l'uranium 235 : l'énergie libérée dépend-elle des fragments formés ?
- Quelle masse de combustible D-T remplace 1 000 tonnes de charbon ? Et quelle masse d'uranium 235 ?
- Coche la courbe « en puits » des manuels : où se trouvent maintenant les noyaux les plus stables ?
- Choisis « ✏️ Ma réaction » et fabrique ta propre réaction avec les noyaux de la table : lithium 7 + proton → 2 hélium 4, par exemple. L'animation vérifie que A et Z sont conservés et calcule l'énergie libérée.
La physique derrière l'animation
- Énergie de liaison d'un noyau AZX : Eℓ = [Z × mp + (A − Z) × mn − mnoyau] × c², l'énergie qu'il faudrait fournir pour séparer tous ses nucléons. Plus Eℓ/A est grande, plus le noyau est stable.
- Défaut de masse d'une réaction : Δm = m(produits) − m(réactifs) < 0 ; énergie libérée E = |Δm| × c², avec 1 u = 1,660 54 × 10−27 kg = 931,494 MeV/c² et 1 MeV = 1,602 × 10−13 J. On utilise ici les masses des atomes : les électrons se compensent, car Z se conserve.
- Autre méthode (BAC+1) : E = Eℓ(produits) − Eℓ(réactifs). Exemple : 21H + 31H → 42He + 10n libère 28,30 − (2,22 + 8,48) = 17,59 MeV.
- A et Z se conservent : 10n + 23592U → 14156Ba + 9236Kr + 3 10n (236 = 141 + 92 + 3 et 92 = 56 + 36). L'énergie calculée ici (≈ 173 MeV) est celle de la scission ; les désintégrations radioactives des fragments en ajoutent environ 25, d'où les ≈ 200 MeV par fission souvent cités. Les neutrons émis peuvent provoquer d'autres fissions : voir la réaction en chaîne.
- Données : masses atomiques et énergies de liaison de l'Atomic Mass Evaluation 2020 (AME2020 : M. Wang et al., Chinese Physics C 45, 030003, 2021). Énergies par kilogramme : charbon ≈ 2,9 × 107 J/kg (tonne équivalent charbon), essence ≈ 4,4 × 107 J/kg. Le dessin des noyaux n'est pas à l'échelle : un noyau mesure environ 10−15 m.
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