Pendant les vacances de Noël en 1938, les physiciens Lise Meitner et Otto Frisch ont reçu des nouvelles scientifiques déroutantes dans une lettre privée du chimiste nucléaire Otto Hahn. En bombardant l'uranium avec des neutrons, Hahn avait fait des observations surprenantes qui contredisaient tout ce que l'on savait à l'époque sur les noyaux denses des atomes - leurs noyaux.
Meitner et Frisch ont été en mesure de fournir une explication de ce qu'il voyait qui révolutionnerait le domaine de la physique nucléaire: un noyau d'uranium pourrait se scinder en deux - ou fission, comme ils l'appelaient - produisant deux nouveaux noyaux, appelés fragments de fission. Plus important encore, ce processus de fission libère d’énormes quantités d’énergie. Cette découverte à l'aube de la Seconde Guerre mondiale a été le début d'une course scientifique et militaire visant à comprendre et à utiliser cette nouvelle source d'énergie atomique.
Conférences Leo Szilard sur le processus de fission (Laboratoire national d'Argonne, CC BY-NC-SA) La divulgation de ces résultats à la communauté universitaire a immédiatement incité de nombreux scientifiques du nucléaire à approfondir leurs recherches sur le processus de fission nucléaire. Le physicien Leo Szilard a fait une réalisation importante: si la fission émet des neutrons et que ceux-ci peuvent induire une fission, les neutrons issus de la fission d'un noyau pourraient provoquer la fission d'un autre noyau. Tout cela pourrait se dérouler en cascade dans un processus «en chaîne» autonome.
C'est ainsi qu'a commencé la quête expérimentale de prouver qu'une réaction nucléaire en chaîne était possible - et il y a 75 ans, des chercheurs de l'Université de Chicago ont réussi, ouvrant la porte à ce qui allait devenir l'ère nucléaire.
Exploiter la fission
Dans le cadre des efforts du projet Manhattan visant à construire une bombe atomique pendant la Seconde Guerre mondiale, Szilard a collaboré avec le physicien Enrico Fermi et d'autres collègues de l'Université de Chicago pour créer le premier réacteur nucléaire expérimental au monde.
Pour une réaction en chaîne contrôlée et soutenue, chaque fission doit induire une seule fission supplémentaire. Plus, et il y aurait une explosion. Pas moins et la réaction se résorberait.
Enrico Fermi, lauréat du prix Nobel, a dirigé le projet (Laboratoire national d'Argonne, CC BY-NC-SA) Dans des études antérieures, Fermi avait découvert que les noyaux d'uranium absorberaient les neutrons plus facilement si les neutrons se déplaçaient relativement lentement. Mais les neutrons émis par la fission de l'uranium sont rapides. Ainsi, pour l'expérience de Chicago, les physiciens ont utilisé du graphite pour ralentir les neutrons émis, via de multiples processus de diffusion. L'idée était d'augmenter les chances des neutrons d'être absorbés par un autre noyau d'uranium.
Pour s'assurer qu'ils pouvaient contrôler la réaction en chaîne en toute sécurité, l'équipe a assemblé ce qu'ils appelaient des «barres de commande». Il s'agissait simplement de feuilles de l'élément cadmium, un excellent absorbeur de neutrons. Les physiciens ont intercalé des barres de commande dans le tas d'uranium-graphite. À chaque étape du processus, Fermi calculait les émissions de neutrons attendues et retirait lentement une barre de contrôle pour confirmer ses attentes. En tant que mécanisme de sécurité, les barres de contrôle du cadmium pourraient être rapidement insérées si quelque chose ne se passait pas bien, afin d'empêcher la réaction en chaîne.
Chicago Pile 1, érigé en 1942 dans les gradins d’un terrain de sport de l’Université de Chicago. (Laboratoire national d'Argonne, CC BY-NC-SA) Ils ont appelé cette configuration de Chicago Pile Number One, ou CP-1, de 20 x 6 x 25 pieds - et c'est ici qu'ils ont obtenu la première réaction nucléaire en chaîne contrôlée du monde le 2 décembre 1942. Un seul neutron aléatoire suffisait pour lancer le processus de réaction en chaîne une fois les physiciens assemblés CP-1. Le premier neutron induirait la fission d'un noyau d'uranium, émettant un ensemble de nouveaux neutrons. Ces neutrons secondaires atteignent les noyaux de carbone dans le graphite et ralentissent. Ensuite, ils rencontraient d’autres noyaux d’uranium et induisaient une deuxième série de réactions de fission, émettaient encore plus de neutrons, et ainsi de suite. Les barres de contrôle du cadmium ont empêché le processus de continuer indéfiniment, car Fermi et son équipe pouvaient choisir exactement où et comment les insérer pour contrôler la réaction en chaîne.
Une réaction nucléaire en chaîne. Les flèches vertes montrent la division d'un noyau d'uranium en deux fragments de fission, émettant de nouveaux neutrons. Certains de ces neutrons peuvent induire de nouvelles réactions de fission (flèches noires). Certains neutrons peuvent être perdus dans d'autres processus (flèches bleues). Les flèches rouges indiquent les neutrons retardés qui proviennent des fragments de fission radioactifs et qui peuvent induire de nouvelles réactions de fission. (MikeRun modifié par Erin O'Donnell, MSU, CC BY-SA) Contrôler la réaction en chaîne était extrêmement important: si l'équilibre entre les neutrons produits et absorbés n'était pas tout à fait correct, les réactions en chaîne ne se dérouleraient pas du tout ou, dans l'autre extrême beaucoup plus dangereux, les réactions en chaîne se multiplieraient rapidement avec la libération. d'énormes quantités d'énergie.
Parfois, quelques secondes après la fission lors d’une réaction nucléaire en chaîne, des neutrons supplémentaires sont libérés. Les fragments de fission sont généralement radioactifs et peuvent émettre différents types de rayonnements, parmi lesquels des neutrons. Tout de suite, Enrico Fermi, Leo Szilard, Eugene Wigner et d’autres ont reconnu l’importance de ces «neutrons retardés» dans le contrôle de la réaction en chaîne.
S'ils n'étaient pas pris en compte, ces neutrons supplémentaires induiraient plus de réactions de fission que prévu. En conséquence, la réaction en chaîne nucléaire de leur expérience à Chicago aurait pu devenir incontrôlable, avec des résultats potentiellement dévastateurs. Plus important cependant, ce délai entre la fission et la libération de plus de neutrons laisse un peu de temps aux êtres humains pour réagir et faire des ajustements, contrôlant ainsi la puissance de la réaction en chaîne afin qu'elle ne soit pas trop rapide.
Les centrales nucléaires fonctionnent dans 30 pays aujourd'hui. (Photo AP / John Bazemore) Les événements du 2 décembre 1942 ont marqué une étape importante. Trouver les moyens de créer et de contrôler la réaction en chaîne nucléaire était à la base des 448 réacteurs nucléaires produisant de l’énergie dans le monde entier. À l'heure actuelle, 30 pays incluent des réacteurs nucléaires dans leur portefeuille énergétique. Dans ces pays, l’énergie nucléaire représente en moyenne 24% de l’énergie électrique totale, et jusqu’à 72% en France.
Le succès du CP-1 était également essentiel pour la poursuite du projet Manhattan et la création des deux bombes atomiques utilisées pendant la Seconde Guerre mondiale.
Questions restantes des physiciens
La quête pour comprendre l’émission retardée de neutrons et la fission nucléaire se poursuit dans les laboratoires de physique nucléaire modernes. La course actuelle ne consiste pas à construire des bombes atomiques ni même des réacteurs nucléaires; c'est pour comprendre les propriétés fondamentales des noyaux grâce à une étroite collaboration entre l'expérience et la théorie.
Les chercheurs ont observé la fission à titre expérimental uniquement pour un petit nombre d'isotopes - les différentes versions d'un élément en fonction du nombre de neutrons qu'il contient - et les détails de ce processus complexe ne sont pas encore bien compris. Des modèles théoriques de pointe tentent d'expliquer les propriétés de fission observées, telles que la quantité d'énergie libérée, le nombre de neutrons émis et les masses des fragments de fission.
L'émission de neutrons retardée ne se produit que pour les noyaux qui ne sont pas naturels, et ces noyaux ne vivent que peu de temps. Bien que des expériences aient révélé certains des noyaux émettant des neutrons retardés, nous ne sommes pas encore en mesure de prédire de manière fiable quels isotopes devraient avoir cette propriété. Nous ne connaissons pas non plus les probabilités exactes d’émission retardée de neutrons ou de quantité d’énergie libérée - des propriétés très importantes pour comprendre les détails de la production d’énergie dans les réacteurs nucléaires.
De plus, les chercheurs tentent de prédire de nouveaux noyaux où la fission nucléaire pourrait être possible. Ils construisent de nouvelles expériences et de nouvelles installations puissantes qui donneront accès à des noyaux jamais étudiés auparavant, dans le but de mesurer directement toutes ces propriétés. Ensemble, les nouvelles études expérimentales et théoriques nous permettront de mieux comprendre la fission nucléaire, ce qui peut contribuer à améliorer les performances et la sécurité des réacteurs nucléaires.
Représentation artistique de la fusion de deux étoiles à neutrons, une autre situation de fission. (Centre de vol spatial Goddard de la NASA / Laboratoire CI, CC BY) La fission et l'émission retardée de neutrons sont des processus qui se produisent également dans les étoiles. La création d’éléments lourds, tels que l’argent et l’or, peut notamment dépendre des propriétés de fission et d’émission de neutrons retardée de noyaux exotiques. La fission casse les éléments les plus lourds et les remplace par des éléments plus légers (fragments de fission), modifiant ainsi complètement la composition en éléments d'une étoile. L'émission retardée de neutrons ajoute plus de neutrons à l'environnement stellaire, ce qui peut alors induire de nouvelles réactions nucléaires. Par exemple, les propriétés nucléaires ont joué un rôle essentiel dans l’événement de fusion neutron-étoile récemment découvert par des observatoires à ondes gravitationnelles et électromagnétiques du monde entier.
La science a parcouru un long chemin depuis la vision de Szilard et la preuve par Fermi d'une réaction nucléaire en chaîne contrôlée. Dans le même temps, de nouvelles questions sont apparues et il reste encore beaucoup à apprendre sur les propriétés nucléaires de base qui régissent la réaction en chaîne et son impact sur la production d'énergie ici sur Terre et ailleurs dans notre univers.
Cet article a été publié à l'origine sur The Conversation.
Artemis Spyrou, professeur agrégé d'astrophysique nucléaire, Michigan State University
Wolfgang Mittig, professeur de physique à la Michigan State University
