Avant d’aller comprendre la fission nucléaire et les différentes réactions nucléaires qui ont lieu dans un réacteur, il y a un ensemble de notion à avoir concernant la composition de la matière
Les atomes, les molécules
La matière est composée d’atomes. Nous avons tous cette image de l’atome d’hydrogène avec sa couche électronique.
Lorsque plusieurs atomes sont accrochés ensemble, on parle de molécule (comme les protéines par exemple)
Pour comprendre le fonctionnement d’une centrale nucléaire et la réaction de fission qui a lieu en son sein, il n’est pas nécessaire d’aller aussi haut que le niveau de la molécule. On restera au niveau de l’atome
De quoi est fait un atome?
Un atome est composé d’un noyau et autour du noyau, d’un nuage électronique composée d’autant d’électrons qu’il y a de protons 1.
Ces électrons sont les mêmes que ceux qui sont mis en excitation dans nos fils électriques pour transporter l’électricité (cf. Vitesse de déplacement des charges)
Le noyau est composé de protons (qui ont une charge positive et une masse) et de neutrons (qui ont une charge neutre et une masse).
Les neutrons et les protons sont des particules composites. C’est à dire qu’elles sont composées de particules élémentaires tels que les quarks reliés par des gluons.
Néanmoins, pour comprendre la fission, il n’est pas nécessaire de descendre aussi bas dans le niveau de description de l’atome
Dans un noyau, le nombre de protons détermine la propriété chimique de l’atome. Dans la représentation écrite d’un atome, le chiffre Z représente son nombre atomique.
Image emprunté sur le site de superprof.fr
Si Z donne directement les propriétés chimiques de l’atome, A est la somme totale de neutrons + proton (nucléons).
En règle générale, pour qu’un atome soit stable, il faut qu’il y ait autant de neutrons que de protons. Mais ce n’est pas toujours le cas. En effet, pour des atomes légers, cette proportion est respectée. Mais plus un atome devient lourd, plus le ratio d’équilibre neutron/proton s’approche de 1.5.
Par exemple, lorsqu’on parle d’Uranium, il a 92 protons (Z=92), mais il y a environ 238 nucléons (A≠184).
D’ailleurs, voici une représentation 2D de l’atome d’Uranium.
Isotopes
Les isotopes sont des variants d’un atome ayant le même nombre de protons, mais dont la masse (et donc le nombre de neutrons) est différente.
Comme ils ont le même nombre de protons, tous les isotopes d’un même élément ont les mêmes propriétés chimiques. Pour les séparer, il n’y a pas beaucoup de solutions, il faut jouer sur la différence de masse qui est essentiellement le seul moyen d’arriver à séparer des isotopes.
C’est sur ce principe de différence de masse que se sont développées les technologies de diffusion gazeuse, puis de centrifugation pour permettre de séparer l’U238 et l’U235, dans le but d’enrichir en U235 le combustible d’uranium qui sera par la suite « brûlé » dans les réacteurs nucléaire.
Certains isotopes sont plus stables que d’autres. Cette stabilité explique les évolutions en teneurs de chaque isotope sur la planète.
L’instabilité des isotopes sera abordée plus loin. C’est cette instabilité qui est la source des rayonnements ionisants (ou radioactif).
La connaissance de ces isotopes et de leur stabilité/instabilité est ce qui nous permet d’avancer plus loin dans la compréhension de la radioactivité et de la réaction de fission.
Apparté – Les couches électroniques
Les représentations précédentes des couches d’électrons sont en 2D. Si l’on garde cette représentation 2D en tête, il sera impossible (ou presque) de s’imaginer comment les liaisons covalentes (liaisons chimiques) peuvent se former. Ces liaisons covalentes, nous le verrons plus loin, sont ce qui permet aux atomes de s’agencer pour former les molécules.
Il faut donc se représenter en 3D les couches orbitales des atomes.
Bien entendu, plus il y a de protons, plus il y a d’électrons, et les couches d’électrons deviennent plus complexes.
- A noter, qu’on parle de nuage électronique, car contrairement au schéma classique présentant un électron tournant autour du noyau d’atome, comme une lune tournant autour du soleil, il n’est pas possible de connaître en même temps la position et la vitesse de l’électron. On parle donc de nuage électronique, ou de couche orbitale, pour présenter la probabilité de présence de l’électron à un endroit donné. ↩