Les bases de la fission nucléaire

La fission nucléaire se produit quand un isotope plus grande se brise en deux ou plusieurs éléments. Les scientifiques généralement accomplir cette tâche (pour certaines réactions nucléaires contrôlées) en bombardant une grande isotope avec un deuxième, plus petit - communément un neutron. La collision se traduit par la fission nucléaire.

Sommaire

La fission nucléaire de l'uranium-235 est représenté dans l'équation suivante:

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Ce type de réactions libèrent également beaucoup d'énergie. D'où vient l'énergie? Si vous faites très mesure précise des masses de tous les atomes et des particules subatomiques vous commencer et tous les atomes et des particules subatomiques vous vous retrouvez avec, puis comparer les deux, vous trouverez qu'il ya un certain “ manquant ” de masse.

Matière disparaît au cours de la réaction nucléaire. Cette perte de la matière est appelée la défaut de masse. La matière manquante est convertie en énergie. Vous pouvez effectivement calculer la quantité d'énergie produite lors d'une réaction nucléaire avec une équation assez simple développé par Einstein:

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Dans cette équation, E est la quantité d'énergie produite, m est le “ manquant ” masse ou le défaut de masse, et c est la vitesse de la lumière, ce qui est un assez grand nombre. La vitesse de la lumière est au carré, ce qui rend cette partie de l'équation d'un très grand nombre qui, lorsque multiplié par encore une petite quantité de la masse, on obtient une grande quantité d'énergie.

Les réactions en chaîne et une masse critique

Dans l'équation de la fission de l'U-235, notez que un neutron a été utilisé, mais trois ont été produites. Ces trois neutrons, si elles rencontrent d'autres atomes U-235, peuvent initier d'autres fissions, produisant encore plus de neutrons. En termes de chimie nucléaire, il est une cascade continue de fissions nucléaires appelé réaction en chaîne. La réaction en chaîne de U-235 est montré dans la figure suivante.

Cette réaction en chaîne dépend de la libération de plus de neutrons que ont été utilisées lors de la réaction nucléaire. Si vous deviez écrire l'équation de la fission nucléaire de l'uranium 238, l'isotope plus abondant de l'uranium, vous devriez utiliser un neutron et seulement obtenir un arrière. Vous ne pouvez pas avoir une réaction en chaîne avec U-238.

Mais isotopes qui produisent un excès de neutrons dans leur fission soutenir une réaction en chaîne. Ce type d'isotope est dit être fissionnable, et il ya seulement deux principaux isotopes fissiles utilisées lors de réactions nucléaires - l'uranium 235 et le plutonium-239.

Le montant minimum de matière fissile nécessaire pour veiller à ce que la réaction en chaîne se produit est appelé le masse critique. Rien de moins que ce montant est appelé sous-critique.

La réaction en chaîne de l'uranium-235.
La réaction en chaîne de l'uranium-235.

Les bombes atomiques

En raison de l'énorme quantité d'énergie libérée dans une réaction de fission en chaîne, les implications militaires de réactions nucléaires ont été immédiatement réalisés. La première bombe atomique a été larguée sur Hiroshima, au Japon, le 6 Août 1945.

Dans une bombe atomique, deux pièces d'un isotope fissile sont séparés. Chaque pièce, par lui-même, est sous-critique. Quand il est temps que la bombe explose, des explosifs conventionnels forcent les deux morceaux ensemble pour provoquer une masse critique. La réaction en chaîne est incontrôlée, libérant une énorme quantité d'énergie presque instantanément.

Centrales nucléaires

Le secret pour commander une réaction en chaîne est de contrôler les neutrons. Si les neutrons peuvent être contrôlés, l'énergie peut être libérée de manière contrôlée. Voilà ce que les scientifiques ont fait avec les centrales nucléaires.

À bien des égards, une centrale nucléaire est similaire à une centrale électrique à combustible fossile classique. Dans ce type d'installation, un combustible fossile (charbon, pétrole, gaz naturel) est brûlé, et la chaleur est utilisée pour faire bouillir l'eau, ce qui, à son tour, est utilisé pour produire de la vapeur. La vapeur est ensuite utilisée pour transformer une turbine qui est attaché à un générateur qui produit de l'électricité.


La grande différence entre une centrale électrique classique et une centrale nucléaire est que la centrale nucléaire produit de la chaleur par des réactions en chaîne de fission nucléaire.

Surgénérateurs: faire plus de choses nucléaire

Outre l'isotope U-235 de l'uranium, l'autre isotope fissile couramment utilisé, le plutonium-239 (Pu-239), est très rare dans la nature. Mais il ya une façon de faire de Pu-239 U-238 dans un réacteur de fission spécial appelé surgénérateur.

L'uranium 238 est d'abord bombardé par un neutron pour produire U-239, qui se désintègre à Pu-239. Le processus est montré dans la figure suivante.

Le processus de réacteur à neutrons.
Le processus de réacteur à neutrons.

Surgénérateurs peuvent étendre la fourniture de combustibles fissiles pour de nombreuses années, et ils sont actuellement utilisés en France. Mais les Etats-Unis se déplace lentement avec la construction de réacteurs surgénérateurs à cause de plusieurs problèmes qui leur sont associés:

  • Tout d'abord, ils sont extrêmement coûteux à construire.

  • Deuxièmement, ils produisent de grandes quantités de déchets nucléaires.

  • Et, enfin, le plutonium qui est produit est beaucoup plus dangereux à manipuler que l'uranium et peut facilement être utilisé dans une bombe atomique.


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