⚛️ La fission nucléaire et la réaction en chaîne
Un neutron, un noyau d'uranium qui se brise… et voilà deux ou trois nouveaux neutrons prêts à recommencer. C'est la réaction en chaîne, le cœur d'une centrale nucléaire. À toi de la piloter avec les barres de contrôle : trop peu enfoncées, elle s'emballe ; trop enfoncées, elle s'éteint.
🧪 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
- Quand un neutron rencontre un noyau d'uranium 235 (en orange), ce noyau peut se briser en deux noyaux plus légers (en vert et en violet) en libérant 2 ou 3 neutrons et environ 200 MeV d'énergie (l'éclair jaune).
- Les neutrons naissent rapides (en rouge) ; l'eau du modérateur les ralentit (en bleu). Un neutron lent fait fissionner l'uranium 235 bien plus souvent qu'un neutron rapide : sans eau, la réaction s'éteint.
- Un neutron peut aussi être perdu : il s'échappe du cœur, il est absorbé par une barre de contrôle, ou il est capturé par un noyau d'uranium 238 (cercle violet) sans provoquer de fission.
- Le facteur k compare les neutrons produits aux neutrons perdus. Si k > 1, la courbe N(t) monte en flèche ; si k < 1, elle retombe vers zéro ; si k = 1, elle reste à peu près horizontale.
- Si le nombre de neutrons dépasse un seuil, l'arrêt d'urgence fait tomber toutes les barres dans le cœur, comme dans une vraie centrale.
Expériences à faire
- Enfonce les barres de contrôle petit à petit : à partir de quelle position la réaction s'éteint-elle ?
- Retire l'eau (le modérateur) pendant que la réaction tourne : que se passe-t-il ? Pourquoi est-ce une sécurité pour une centrale ?
- Avec 10 % de noyaux fissiles, arrives-tu à entretenir la réaction, même barres relevées ? Et avec 70 % ?
- Si chaque fission en provoquait exactement 2 autres, combien de fissions y aurait-il à la 10ᵉ génération ? Et si k valait 1 ?
- Lis l'énergie libérée : combien de fissions faut-il pour libérer 1 joule ? Puis coche ✏️ Mes valeurs et prends ν = 1 neutron par fission : la réaction peut-elle encore s'emballer ?
La physique derrière l'animation
- Fission : un neutron frappe un noyau lourd et fissile qui se scinde en deux noyaux plus légers, avec 2 ou 3 neutrons. Exemple : 10n + 23592U → 14156Ba + 9236Kr + 3 10n. Le nombre de masse A et le numéro atomique Z se conservent (236 = 141 + 92 + 3 et 92 = 56 + 36).
- Chaque fission libère environ 200 MeV, soit 3,2 × 10−11 J. La fission complète de 1 g d'uranium 235 libère environ 8 × 1010 J, autant que la combustion de 2 tonnes de pétrole. Cette énergie vient d'une petite perte de masse : E = Δm × c².
- Facteur de multiplication k : nombre moyen de nouvelles fissions provoquées par les neutrons d'une fission. Après n générations, le nombre de fissions est multiplié par kn : la réaction s'éteint si k < 1 (sous-critique), se maintient si k = 1 (critique), s'emballe si k > 1 (sur-critique).
- Dans un réacteur à eau, l'eau sert de modérateur (elle ralentit les neutrons) et évacue la chaleur. Les barres de contrôle, en bore ou en cadmium, absorbent des neutrons : on les enfonce pour diminuer k et on les remonte pour l'augmenter, afin de garder k = 1.
- L'uranium naturel ne contient que 0,7 % d'uranium 235 ; le combustible des centrales est enrichi à 3 à 5 %. Ici, le modèle est simplifié : le temps est énormément ralenti et un noyau qui a fissionné est aussitôt remplacé.
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