Au tableau Bertrand Barré ! Dernière diffusion le

La fission

Bertrand Barré, conseiller scientifique d’Areva, raconte l’aventure scientifique européenne de la découverte de la fission tout au long des années 30. Feutres en main, il nous explique le phénomène et ses inconvénients.

Un épisode de la série « Au tableau Bertrand Barré ! ».

Réalisation : Roland Cros

Production : Universcience

Année de production : 2011

Durée : 8min21

Accessibilité : sous-titres français

La fission

AU TABLEAU !

Bertrand Barré

Les réacteurs nucléaires produisent de l’électricité en faisant bouillir de l’eau grâce à la chaleur dégagée par la fission de leurs combustibles. Mais qu’est-ce que la fission ? Ça, il faut revenir au moment où on l’a découverte, c'est-à-dire dans les années 30. 1930 hein, c’est bien clair. On commence par 1932. Et alors Chadwick, en fait, découvre une particule qui s’appelle le neutron, la première particule qui n’a pas de charge électrique. Et tout de suite, tous les physiciens d’Europe pensent que c’est vraiment intéressant d’avoir une espèce de sonde qui peut aller directement titiller le noyau des atomes sans être gêner par les électrons, ni sans être gêner par les protons de l’atome. Et un certain nombre d’équipes se mettent à utiliser le neutron comme sonde pour voir comme était formé ce noyau parce qu’il ne faut pas oublier qu’à l’époque, on ne savait pas tout ce que l’on sait maintenant sur comment est fait un atome, comment est fait un noyau, etc. Et donc un personnage très important qui s’est fait un peu la spécialité de ça, c’était Enrico Fermi alors Prix Nobel, etc. et qui sera aussi célèbre pour avoir fait le premier réacteur beaucoup plus tard. Enrico Fermi commence à envoyer des neutrons dans tous les éléments qu’on trouve dans la table de Mendeleïev et à peu près à chaque fois, il se produit la même chose, c'est-à-dire le noyau cible absorbe un neutron. Du coup, il a un neutron de trop et il devient radioactif, c'est-à-dire qu’il transforme un de ses neutrons en proton en éjectant un électron. Et donc il a un proton de plus, ce n’est plus le même élément chimique. Et donc, ce système, ce qu’on appelle la « radioactivité béta », il le trouve à peu près partout. Puis il arrive au noyau le plus lourd qu’on trouve dans la nature qui est le noyau d’uranium. Et donc, en envoyant ses neutrons dans l’uranium, Fermi est persuadé qu’il fabrique des transuraniens, c'est-à-dire un élément encore plus lourd que l’uranium. Mais le problème c’est que dans ses analyses, il ne le trouve pas. Alors il envoie immédiatement un message dans toutes les équipe de physiciens en leur disant : vous devriez essayer d’envoyer des neutrons dans un noyau d’uranium, dans une cible avec des noyaux d’uranium parce que je ne suis pas trop sûr de ce qu’il se passe. Et effectivement là, on est en 1938. Les premiers qui trouvent ce qu’il se passe justement, c’est une équipe allemande qui était dirigée par Otto Hahn et son gendre Fritz Strassmann. Eux, c’était des chimistes, des chimistes fins qui savaient bien faire de la chimie analytique et ils trouvent, après avoir envoyer des neutrons dans l’uranium, ils trouvent du baryum. Alors ça, c’est étonnant parce que le baryum, il n’est pas plus lourd que l’uranium. Au contraire, il a une masse qui est à peu près de la moitié. Alors ils disent : la seule explication possible, c’est le noyau de l’uranium qui est le plus gros, quand il absorbe encore un neutron de plus, il ne devient pas radioactif comme les autres, il a tellement d’énergie qu’il se coupe en deux. Et donc ils inventent le mot « fission » et une de ses collaboratrices autrichiennes qui s’appelait Lise Meitner, elle qui était un peu la théoricienne du groupe, calcule que si effectivement c’est bien ça qui se produit, il y a, à chaque fission, un dégagement fantastique d’énergie qui peut être utilisé. Pareil, le message passe à travers toute l’Europe, regardez donc... Et là, on arrive tout à fait fin 38.

Et c’est en début 39 que l’équipe française de Frédéric Joliot... on dit aussi parfois Joliot-Curie, mais c’est le même... Eux, c’était des physiciens donc des gens spécialistes de détecteurs. Ils confirment : oui, oui, il y a bien fission de l’uranium et en plus savez-vous ? Au moment de la fission, il y a émission de nouveaux neutrons. Tout de suite, il commence à gamberger, il dit : bon ben, ces nouveaux neutrons ils peuvent à leur tour être absorbés par un nouveau noyau d’uranium, faire une fission, etc., etc. Réaction en chaîne et deux façons. Si on arrive à contrôler la réaction en chaîne, à ce moment-là, on a une source d’énergie très puissante, très concentrée, surtout une nouvelle source d’énergie et puis si, au contraire, on laisse la réaction en chaîne devenir exponentielle, c'est-à-dire une fission, deux fissions, quatre fissions, huit fissions, à la fin, on a un explosif très puissant.

Alors finalement, en gros, comment... qu’est-ce que ça veut dire la fission ? Vous avez un gros noyau d’uranium que voilà. Alors, c’est de l’uranium 235, c’est celui qui fissionne le plus facilement. Arrive un neutron. Alors souvent, on dit le neutron attaque, vient faire exploser le noyau... C’est pas ça, c’est l’inverse. Le noyau qui est à l’affût, il avale le neutron et puis il commence à avoir une espèce d’indigestion, donc il se déforme dans tous les sens, c’est ce qu’on appelle le modèle de la goutte d’eau, si vous voulez. A un moment donné, c’est tellement instable que boum ! Alors je vais peut-être les mettre en noir pour que ça ressemble. Vous avez deux produits de fission. Ils ne sont pas de la même taille, c’est pour ça que je ne les fais pas tout à fait pareil. Beaucoup d’énergie - je vais la mettre en rouge, voilà - et des nouveaux neutrons - donc ils étaient bleus, mes neutrons, je les fais toujours bleus. On va en mettre deux ou trois - qui, à leur tour, peuvent aller chercher un nouveau noyau qui les attend un peu plus loin. Voilà le mécanisme de la fission.

Alors qu’est-ce qu’on peut en dire ? La fission ne marche qu’avec quelques noyaux très lourds (uranium ou plutonium), elle dégage beaucoup d’énergie. Ça, c’est important, avoir des ordres de grandeur en tête. Si vous voulez, la fission de 1 gramme d’uranium ou de plutonium, c’est pareil, ça vous fait plus d’énergie que la combustion complète d’1 tonne de pétrole. Donc vous voyez, quand je dis que c’est plus concentré, vous avez un facteur un million entre 1 gramme et 1 tonne. En revanche, vous voyez bien que quand c’est terminé, il vous reste deux produits, ce qu’on appelle des produits de fission, les deux morceaux de la fission et eux sont en général radioactifs. Du fait qu’il y ait ces deux produits de fission, on a deux problèmes. D’une part, on a réussi effectivement à avoir une nouvelle source d’énergie - c’est plus du charbon, c’est plus du gaz, c’est plus du pétrole, c’est quelque chose de nouveau, de l’énergie très concentrée - mais les produits de fission vous font deux problèmes. 1/ Ils sont radioactifs donc ils se désintègrent doucement en dégageant de la chaleur. Quand vous arrêtez la réaction en chaîne, vous dites : ça y est, j’ai plus besoin de l’électricité. Eh bien, vous introduisez dans le cœur un produit qui absorbe les neutrons. Ça arrête la réaction en chaîne mais les produits radioactifs qui étaient déjà dans le cœur continuent à émettre de la chaleur. C’est ce qu’on appelle la chaleur résiduelle et celle-là, il faut continuer à l’évacuer, à la refroidir pendant plusieurs jours après l’arrêt du réacteur. Et 2/ Quand on a retiré le combustible du réacteur, dedans, il y a encore tous ces produits de fission et c’est eux les déchets radioactifs et ils faut les conditionner, les gérer pour que leur radioactivité ne crée pas de nuisance au public.

Donc vous avez là deux notions nouvelles : « puissance résiduelle » - désolé, je gribouille - ça, c’est dans le réacteur, et puis après, « déchets radioactifs », c’est quand on a retiré le combustible du cœur. Il faut toujours gérer les déchets. Voilà un peu la fission.

Réalisation : Roland Cros

Production : Universcience

Année de production : 2011

Durée : 8min21

Accessibilité : sous-titres français