Fission et fusion nucléaires

La fusion nucléaire et fission nucléaire sont différents types de réactions qui libèrent de l'énergie en raison de la présence de liaisons atomiques à haute puissance entre les particules trouvées dans un noyau. En fission, un atome est divisé en deux ou plusieurs atomes plus petits et plus légers. La fusion, en revanche, se produit lorsque deux atomes plus petits ou plus fusionnent, créant un atome plus grand et plus lourd.

Tableau de comparaison

Définitions

La fusion nucléaire est la réaction dans laquelle deux noyaux ou plus se combinent, formant un nouvel élément avec un nombre atomique plus élevé (plus de protons dans le noyau). L'énergie libérée dans la fusion est liée à E = MC ² (La célèbre équation de masse énergétique d'Einstein). Sur Terre, la réaction de fusion la plus probable est la réaction du deutérium-tritium. Le deutérium et le tritium sont des isotopes d'hydrogène.

² ₁Deutérium + ³ ₁Tritium = ⁴₂Il + ¹₀n + 17.6 Mev

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La fission nucléaire est le fractionnement d'un noyau massif en photons sous forme de rayons gamma, de neutrons libres et d'autres particules subatomiques. Dans une réaction nucléaire typique impliquant ²³⁵U et un neutron:

²³⁵₉₂U + n = ²³⁶₉₂U

suivie par

²³⁶₉₂U = ¹⁴⁴₅₆Ba + ⁸⁹ ₃₆Kr + 3n + 177 Mev

Fission vs. Physique de la fusion

Les atomes sont maintenus ensemble par deux des quatre forces fondamentales de la nature: les obligations nucléaires faibles et fortes. La quantité totale d'énergie maintenue dans les liaisons des atomes est appelée énergie de liaison. Plus l'énergie contraignante maintenue dans les obligations, plus l'atome est stable. De plus, les atomes essaient de devenir plus stables en augmentant leur énergie de liaison.

Le nucléon d'un atome de fer est le nucléon le plus stable trouvé dans la nature, et il ne fusionne ni ne se sépare. C'est pourquoi le fer est en haut de la courbe d'énergie de liaison. Pour les noyaux atomiques plus légers que le fer et le nickel, l'énergie peut être extraite par combinaison Noyaux de fer et de nickel ensemble par la fusion nucléaire. En revanche, pour les noyaux atomiques plus lourds que le fer ou le nickel, l'énergie peut être libérée par scission les noyaux lourds par la fission nucléaire.

La notion de division de l'atome est née du travail du physicien britannique né en Nouvelle-Zélande Ernest Rutherford, qui a également conduit à la découverte du proton.

Conditions de fission et de fusion

La fission ne peut se produire que dans de gros isotopes qui contiennent plus de neutrons que les protons dans leurs noyaux, ce qui conduit à un environnement légèrement stable. Bien que les scientifiques ne comprennent pas encore pleinement pourquoi cette instabilité est si utile pour la fission, la théorie générale est que le grand nombre de protons créent une forte force répulsive entre elles et que trop peu ou trop de neutrons créent des "lacunes" qui provoquent un affaiblissement de l'affaiblissement de la liaison nucléaire, conduisant à la décroissance (rayonnement). Ces grands nucléii avec plus de "lacunes" peuvent être "divisés" par l'impact des neutrons thermiques, soi-disant les neutrons "lents".

Les conditions doivent être prises pour qu'une réaction de fission se produise. Pour que la fission soit autonome, la substance doit atteindre la masse critique, la quantité minimale de masse requise; tomber en deçà de la masse critique limite la longueur de la réaction aux simples microsecondes. Si la masse critique est atteinte trop rapidement, ce qui signifie que trop de neutrons sont libérés en nanosecondes, la réaction devient purement explosive et aucune libération d'énergie puissante ne se produira.

Les réacteurs nucléaires sont principalement des systèmes de fission contrôlés qui utilisent des champs magnétiques pour contenir des neutrons errants; Cela crée un rapport environ 1: 1 de la libération de neutrons, ce qui signifie qu'un neutron émerge de l'impact d'un neutron. Comme ce nombre variera dans les proportions mathématiques, sous ce que l'on appelle la distribution gaussienne, le champ magnétique doit être maintenu pour que le réacteur fonctionne et les tiges de commande doivent être utilisées pour ralentir ou accélérer l'activité de neutrons.

La fusion se produit lorsque deux éléments plus légers sont forcés ensemble par une énorme énergie (pression et chaleur) jusqu'à ce qu'elles se fusionnent dans un autre isotope et relâchent l'énergie. L'énergie nécessaire pour démarrer une réaction de fusion est si grande qu'elle prend une explosion atomique pour produire cette réaction. Pourtant, une fois la fusion commence, elle peut théoriquement continuer à produire de l'énergie tant qu'elle est contrôlée et les isotopes de base de base sont fournis.

La forme de fusion la plus courante, qui se produit dans les étoiles, est appelée «fusion d-t», se référant à deux isotopes d'hydrogène: le deutérium et le tritium. Le deutérium a 2 neutrons et le tritium en a 3, plus que le seul proton d'hydrogène. Cela rend le processus de fusion plus facile car seule la charge entre deux protons doit être surmontée, car la fusion des neutrons et le proton nécessite de surmonter la force répulsive naturelle des particules de même caractéristiques (les protons ont une charge positive, par rapport au manque de charge des neutrons ) et une température - pour un instant - de près de 81 millions de degrés Fahrenheit pour la fusion D-T (45 millions de kelvin ou légèrement moins en Celsius). À titre de comparaison, la température centrale du soleil est d'environ 27 millions de F (15 millions C).^[1]

Une fois cette température atteinte, la fusion résultante doit être contenue assez longtemps pour générer du plasma, l'un des quatre états de matière. Le résultat d'un tel confinement est une libération d'énergie à partir de la réaction D-T, produisant de l'hélium (un gaz noble, inerte à chaque réaction) et des neutrons de rechange que l'hydrogène "semer" pour plus de réactions de fusion. À l'heure actuelle, il n'y a aucun moyen sécurisé d'induire la température initiale de fusion ou de contenir la réaction de fusion pour atteindre un état de plasma constant, mais les efforts sont en cours.

Un troisième type de réacteur est appelé réacteur éleveur. Il fonctionne en utilisant la fission pour créer du plutonium qui peut semer ou servir de carburant pour d'autres réacteurs. Les réacteurs des éleveurs sont largement utilisés en France, mais sont prohibitifs et nécessitent des mesures de sécurité importantes, car la production de ces réacteurs peut également être utilisée pour fabriquer des armes nucléaires.

Réaction en chaîne

Les réactions nucléaires de fission et de fusion sont des réactions en chaîne, ce qui signifie qu'un événement nucléaire provoque au moins une autre réaction nucléaire, et généralement plus. Le résultat est un cycle de réaction croissant qui peut rapidement devenir incontrôlé. Ce type de réaction nucléaire peut être de multiples divisions d'isotopes lourds (e.g. ²³⁵ U) ou la fusion d'isotopes légers (e.g. ²Main ³H).

Les réactions en chaîne de fission se produisent lorsque les neutrons bombardent des isotopes instables. Ce type de processus "d'impact et de diffusion" est difficile à contrôler, mais les conditions initiales sont relativement simples à réaliser. Une réaction en chaîne de fusion se développe uniquement dans des conditions de pression et de température extrêmes qui restent stables par l'énergie libérée dans le processus de fusion. Les conditions initiales et les champs de stabilisation sont très difficiles à réaliser avec la technologie actuelle.

Ratios énergétiques

Les réactions de fusion libèrent 3 à 4 fois plus d'énergie que les réactions de fission. Bien qu'il n'y ait pas de systèmes de fusion à base de terre, la sortie du soleil est typique de la production d'énergie de fusion en ce qu'elle convertit constamment des isotopes d'hydrogène en hélium, émettant des spectres de lumière et de chaleur. La fission génère son énergie en décomposant une force nucléaire (la forte) et en libérant d'énormes quantités de chaleur que celles utilisées pour chauffer l'eau (dans un réacteur) pour ensuite générer de l'énergie (électricité). La fusion surmonte 2 forces nucléaires (fortes et faibles), et l'énergie libérée peut être utilisée directement pour alimenter un générateur; Ainsi, non seulement plus d'énergie est libérée, mais elle peut également être exploitée pour une application plus directe.

Consommation d'énergie nucléaire

Le premier réacteur nucléaire expérimental pour la production d'énergie a commencé à fonctionner à Chalk River, en Ontario, en 1947. La première installation d'énergie nucléaire dans le u.S., L'éleveur expérimental réacteur-1 a été lancé peu de temps après, en 1951; Il pourrait allumer 4 ampoules. Trois ans plus tard, en 1954, le U.S. a lancé son premier sous-marin nucléaire, le U.S.S. Nautilus, tandis que le U.S.S.R. a lancé le premier réacteur nucléaire au monde pour la production d'électricité à grande échelle, à Obninsk. Le u.S. inauguré son usine de production d'énergie nucléaire un an plus tard, éclairant Arco, Idaho (pop. 1 000).

La première installation commerciale pour la production d'énergie utilisant des réacteurs nucléaires a été l'usine Calder Hall, à Windscale (maintenant Sellafield), Grande-Bretagne. C'était également le site du premier accident lié au nucléaire en 1957, lorsqu'un incendie a éclaté en raison de fuites de rayonnement.

Le premier U à grande échelle.S. L'usine nucléaire a ouvert ses portes à Shippingport, en Pennsylvanie, en 1957. Entre 1956 et 1973, près de 40 réacteurs nucléaires de production d'électricité ont été lancés dans le U.S., le plus grand étant l'unité de la centrale nucléaire de Zion dans l'Illinois, avec une capacité de 1 155 mégawatts. Aucun autre réacteur commandé depuis n'est arrivé en ligne, bien que d'autres aient été lancés après 1973.

Les Français ont lancé leur premier réacteur nucléaire, le Phénix, capable de produire 250 mégawatts de pouvoir, en 1973. Le réacteur producteur d'énergie le plus puissant dans le u.S. (1 315 MW) a ouvert ses portes en 1976 à la centrale électrique de Trojan dans l'Oregon. En 1977, le U.S. avait 63 centrales nucléaires en fonctionnement, fournissant 3% des besoins énergétiques du pays. 70 autres devaient être mis en ligne d'ici 1990.

L'unité deux à Three Mile Island a subi une crise partielle, libérant des gaz inertes (Xenon et Krypton) dans l'environnement. Le mouvement anti-nucléaire a obtenu la force des craintes que l'incident a causé. Les craintes ont été encore plus alimentées en 1986, lorsque l'unité 4 de l'usine de Tchernobyl en Ukraine a subi une réaction nucléaire en fuite qui a explosé, répartissant les matières radioactives dans toute la région et une grande partie de l'Europe. Au cours des années 1990, l'Allemagne et surtout la France ont élargi leurs centrales nucléaires, se concentrant sur des réacteurs plus petits et donc plus contrôlables. La Chine a lancé ses 2 premières installations nucléaires en 2007, produisant un total de 1 866 MW.

Bien que l'énergie nucléaire se classe au troisième rang derrière le charbon et l'hydroélectricité dans la puissance mondiale produite, la poussée pour fermer les centrales nucléaires, associée aux coûts croissants pour construire et exploiter de telles installations, a créé un effectif sur l'utilisation de l'énergie nucléaire pour le pouvoir. La France mène le monde en pourcentage d'électricité produite par les réacteurs nucléaires, mais en Allemagne, le solaire a dépassé le nucléaire en tant que producteur d'énergie.

Le u.S. a encore plus de 60 installations nucléaires en fonctionnement, mais les initiatives de vote et les âges des réacteurs ont fermé des usines en Oregon et à Washington, tandis que des dizaines d'autres sont ciblées par des manifestants et des groupes de protection de l'environnement. À l'heure actuelle, seule la Chine semble étendre son nombre de centrales nucléaires, car elle cherche à réduire sa forte dépendance à l'égard du charbon (le facteur majeur de son taux de pollution extrêmement élevé) et de rechercher une alternative à l'importation du pétrole.

Préoccupations

La peur de l'énergie nucléaire provient de ses extrêmes, à la fois une arme et une source d'énergie. La fission d'un réacteur crée des déchets intrinsèquement dangereux (voir plus ci-dessous) et pourrait convenir aux bombes sales. Bien que plusieurs pays, comme l'Allemagne et la France, aient d'excellents antécédents avec leurs installations nucléaires, d'autres exemples moins positifs, tels que ceux observés dans l'île de Three Mile, Tchernobyl et Fukushima, ont rendu beaucoup réticent à accepter l'énergie nucléaire, même si elle est beaucoup plus sûr que les combustibles fossiles. Les réacteurs de fusion pourraient un jour être la source d'énergie abordable et abondante qui est nécessaire, mais seulement si les conditions extrêmes nécessaires pour créer de la fusion et la gestion peuvent être résolues.

Déchets nucléaires

Le sous-produit de la fission est un déchet radioactif qui prend des milliers d'années pour perdre ses niveaux dangereux de rayonnement. Cela signifie que les réacteurs de fission nucléaire doivent également avoir des garanties pour ces déchets et son transport vers des sites de stockage ou de déchargement inhabitées. Pour plus d'informations à ce sujet, lisez la gestion des déchets radioactifs.

Occurrence naturelle

Dans la nature, la fusion se produit en étoiles, comme le soleil. Sur terre, la fusion nucléaire a d'abord été réalisée dans la création de la bombe à hydrogène. La fusion a également été utilisée dans différents dispositifs expérimentaux, souvent dans l'espoir de produire de l'énergie de manière contrôlée.

D'un autre côté, la fission est un processus nucléaire qui ne se produit normalement pas de nature, car il nécessite une grande masse et un neutron incident. Malgré cela, il y a eu des exemples de fission nucléaire dans des réacteurs naturels. Cela a été découvert en 1972 lorsque les dépôts d'uranium d'un Oklo, Gabon, les miens ont déjà subi une réaction de fission naturelle il y a environ 2 milliards d'années.

Effets

En bref, si une réaction de fission devient incontrôlable, soit elle explose, soit le réacteur générant, il se fond en un grand tas de scories radioactives. De telles explosions ou effondrements libèrent des tonnes de particules radioactives dans l'air et toute surface voisine (terre ou eau), la contaminant chaque minute que la réaction continue. En revanche, une réaction de fusion qui perd le contrôle (devient déséquilibré) ralentit et baisse la température jusqu'à ce qu'elle s'arrête. C'est ce qui arrive aux étoiles alors qu'ils brûlent leur hydrogène en hélium et perdent ces éléments sur des milliers de siècles d'expulsion. La fusion produit de petits déchets radioactifs. S'il y a des dégâts, cela arrivera à l'environnement immédiat du réacteur de fusion et rien d'autre.

Il est beaucoup plus sûr d'utiliser la fusion pour produire de la puissance, mais la fission est utilisée car il faut moins d'énergie pour diviser deux atomes que pour fusionner deux atomes. De plus, les défis techniques liés au contrôle des réactions de fusion n'ont pas encore été surmontés.

Utilisation d'armes nucléaires

Toutes les armes nucléaires nécessitent une réaction de fission nucléaire au travail, mais des bombes à fission "pures", celles qui utilisent une réaction de fission seule, sont appelées bombes atomiques ou atomiques. Les bombes atomiques ont été testées pour la première fois au Nouveau-Mexique en 1945, au plus fort de la Seconde Guerre mondiale. La même année, les États-Unis les ont utilisés comme arme à Hiroshima et Nagasaki, au Japon,.

Depuis la bombe atome, la plupart des armes nucléaires qui ont été proposées et / ou conçues ont amélioré la ou les réactions de fission d'une manière ou d'une autre (E.g., Voir arme de fission boostée, bombes radiologiques et bombes à neutrons). Armes thermonucléaires - une arme qui utilise les deux fissions et Fusion à base d'hydrogène - est l'une des avancées d'armes les plus connues. Bien que la notion d'une arme thermonucléaire ait été proposée dès 1941, ce n'est qu'au début des années 1950 que la bombe à hydrogène (bombe H) a été testée pour la première fois. Contrairement aux bombes atomes, les bombes à hydrogène ont pas été utilisé dans la guerre, uniquement testé (e.g., Voir Tsar Bomba).

À ce jour, aucune arme nucléaire n'utilise la fusion nucléaire seule, bien que les programmes de défense gouvernementale aient mis des recherches considérables sur une telle possibilité.

Coût

La fission est une forme puissante de production d'énergie, mais elle est livrée avec des inefficacités intégrées. Le combustible nucléaire, généralement l'uranium-235, est coûteux à exploiter et à purifier. La réaction de fission crée une chaleur utilisée pour faire bouillir de l'eau pour que la vapeur tourne une turbine qui génère de l'électricité. Cette transformation de l'énergie thermique à l'énergie électrique est lourde et coûteuse. Une troisième source d'inefficacité est que le nettoyage et le stockage des déchets nucléaires sont très chers. Les déchets sont radioactifs, nécessitant une élimination appropriée et la sécurité doit être serrée pour garantir la sécurité publique.

Pour que la fusion se produise, les atomes doivent être confinés dans le champ magnétique et élevés à une température de 100 millions de kelvin ou plus. Cela prend une énorme quantité d'énergie pour initier la fusion (les bombes d'atomes et les lasers sont censés fournir cette "étincelle"), mais il est également nécessaire de contenir correctement le champ de plasma pour la production d'énergie à long terme. Les chercheurs essaient toujours de surmonter ces défis parce que la fusion est un système de production d'énergie plus sûr et plus puissant que la fission, ce qui signifie qu'il coûterait finalement moins que la fission.