Fission nucléaire

L’expression « fission nucléaire » désigne la réaction qui se produit lorsque le noyau d’un atome se divise pour former deux nucléides plus petits mais de masse similaire. Lorsque le noyau a un nombre de masse élevé, un ou plusieurs neutrons sont libérés par la fission. Un neutron possédant une énergie appropriée peut interagir avec un noyau pour déclencher la fission. Très rarement, la fission peut être spontanée, c’est-à-dire qu’elle se produit sans aucune aide.

La fission dégage de l’énergie, car il en faut moins pour tenir ensemble deux petits noyaux qu’un gros. Cette énergie est environ un million de fois supérieure à celle des réactions chimiques les plus énergétiques, car elle fait intervenir l’interaction nucléaire forte et non l’interaction électromagnétique. La libération d’énergie est suffisamment importante pour que, dans un grand nombre de cas, la perte de masse puisse être démontrée au moyen de l’équation d’Einstein, e=mc2.

Parmi les nucléides naturels, le noyau d’uranium 235 est celui qu’on utilise le plus pour la fission provoquée par des neutrons lents. Lorsqu’un neutron se déplaçant à la vitesse appropriée interagit avec un noyau d’uranium 235, le noyau se divise en deux fragments plus petits, produisant ainsi deux atomes d’éléments différents. La fission libère également deux ou trois neutrons. Les nouveaux atomes sont des isotopes radioactifs.

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Fission nucléaire.

Les neutrons libérés au cours de la fission peuvent provoquer la fission d’autres atomes d’uranium 235 et, par le fait même, créer plus d’isotopes radioactifs tout en libérant encore davantage de neutrons. Ce cycle est appelé « réaction en chaîne de la fission nucléaire ». Le processus se poursuit jusqu’à l’épuisement de l’uranium 235 ou l’interruption du flux de neutrons. En apprenant comment contrôler la fission dans l’uranium 235 et produire d’autres éléments radioactifs, on a donné naissance à une industrie tout à fait nouvelle — l’industrie nucléaire.

Energy from Fission

Man holding a CANDU fuel bundle
Man holding a CANDU fuel bundle.

The benefits from generating electricity using nuclear fission are enormous. The amount of energy released by the fission a single kilogram of uranium-235 produces the same energy as burning 1,300,000 kilograms of coal or 1,350,000 litres of fuel oil – equivalent to the energy used in all of Canada for three days! In Canada, our nuclear power stations presently use natural uranium, which is comprised of 0.72% uranium-235, and almost all of the rest being uranium-238. Most other nuclear power stations in the world use enriched uranium, which has slightly more than 0.72% uranium-235.

The man in the picture is holding a typical fuel bundle used in CANDU reactors to generate electricity. Inside each bundle are ceramic pellets that are uranium oxide. Each bundle has a mass of about 23 kilograms and can generate about 1,000,000 kilowatts-hours of energy. That’s enough energy to run a typical home for 100 years.

A Brief History of Nuclear Fission

Wilhelm Röntgen, of Germany, discovered x-rays in 1885 and by 1934 Enrico Fermi had split the nucleus of the uranium atom. At that time he was unable to explain the results. In 1938 Fermi’s experiment was repeated by Otto Hahn and Fritz Strassmann, and they were still unable to explain the results. One of their former colleagues, Lise Meitner was able to come up with the fission explanation, and her nephew Otto Frisch coined the word “fission” in 1939. By this time, physicists and chemists like Niels Bohr, Albert Einstein, James Chadwick, Ernest Rutherford, and Marie Curie were able to accurately describe the structure of the atom and properties of radioactivity. It was a period of intense and exciting scientific research.

After fission was described in 1939, the possibility of using nuclear fission as an energy source was widely discussed by scientists. Some physicists like Leo Szilard, Eugene Wigner, and Edward Teller could foresee the possibility of building an atomic bomb and urged Albert Einstein to write a letter to American President Franklin D. Roosevelt warning him that the technology to build such a weapon would soon exist and Nazi Germany might begin working on just such a weapon.

In the early 1940’s Allied research into nuclear fission focused on developing the first atomic weapon. Top secret facilities were built at Los Alamos, New Mexico in the United States and at Chalk River, Ontario, Canada (in cooperation with Britain and France). The first atomic explosion, code-named « Trinity », occurred on July 16, 1945 at Los Alamos, New Mexico. On August 6, 1945 an atomic weapon was dropped on Hiroshima, Japan followed by a second atomic weapon being dropped on Nagasaki just three days later on August 9, ending the Second World War (in the Pacific).

The decision to drop atomic bombs remains controversial. Over 200,000 people were killed by the dropping of these weapons. This has convinced most people that they should never be used again.

After the Second World War, Canada focused its nuclear program toward using nuclear fission to generate electricity, create radioactive isotopes for medicine, manufacturing and conducting scientific research.