Qu’est-ce que la fission spontanée – Définition

En général, la fission nucléaire est une réaction nucléaire dans laquelle le noyau d’un atome se divise en parties plus petites (noyaux plus légers). Le processus de fission produit souvent des neutrons et des photons libres (sous forme de rayons gamma ) et libère une grande quantité d’énergie . En physique nucléaire, la fission nucléaire est soit une réaction nucléaire, soit un processus de désintégration radioactive . Le cas du processus de désintégration est appelé fission spontanée  et c’est un processus très rare.

La fission spontanée est également possible si nous étudions la courbe de liaison nucléaire . Ce type de désintégration est énergétiquement possible pour un noyau ayant A> 100. Bien que l’on s’attende à ce que la fission spontanée devienne plus probable à mesure que le nombre de masse augmente, c’est encore un processus très rare même dans l’uranium.

La fission spontanée n’est possible pendant les périodes d’observation pratique que pour des nombres de masse supérieurs à environ 232. Par exemple, ²³² Th, ²³⁵ U et ²³⁸ U sont des nucléides primordiaux et ont laissé des preuves d’une fission spontanée dans leurs minéraux.

Pour les éléments transuraniens lourds, le taux de transition de fission spontanée augmente avec le nombre de masse et il peut devenir le mode de désintégration dominant à des nombres de masse supérieurs à 260 environ.

De même que pour la désintégration alpha , une fission spontanée se produit également en raison de l’effet tunnel quantique . Les fissions spontanées libèrent des neutrons comme toutes les fissions, ce qui contribue au flux neutronique dans un réacteur sous – critique . Les radio-isotopes pour lesquels la fission spontanée n’est pas négligeable peuvent être utilisés comme sources de neutrons. Par exemple, le californium-252 (demi-vie de 2,645 ans, rapport de branche SF d’environ 3,1%) peut être utilisé à cette fin.

La fission spontanée des isotopes naturels de l’uranium (uranium-238 et uranium-235) laisse des traces de dommages dans la structure cristalline des minéraux contenant de l’uranium lorsque les fragments de fission reculent à travers eux. Une technique de datation radiométrique basée sur des analyses de ces traces de dommages, ou traces, laissées par des fragments de fission dans certains minéraux et verres uranifères est connue sous le nom de datation sur trace de fission .

Fission spontanée de certains noyaux

Les principaux isotopes, qui doivent être pris en compte dans le cycle du combustible de tous les réacteurs commerciaux à eau légère, sont:

Isotopes de l’uranium

• ²³⁸ U . ²³⁸U appartient au groupe desisotopes fertiles. ²³⁸U se désintègre viala désintégration alphajusqu’ಳ⁴Th avec une demi-vie d’environ 4,5 × 10⁹ans. ²³⁸U se désintègre occasionnellement par fission spontanée avec une probabilité de 0,000055%. Son activité spécifique est très faible ~ 3,4 × 10^-7 Ci / g.
• ²³⁵ U . ²³⁵U appartient au groupe desisotopes fissiles. En fait,²³⁵U est le seul noyau fissile existant à partir d’isotopes naturels et c’est donc un matériau hautement stratégique. ²³⁵U se désintègre via la désintégration alpha (par le biais de thorium-231) en²³¹Pa avec une demi-vie d’environ 7 × 10⁸ans. ²³⁵U se désintègre parfois par fission spontanée avec une très faible probabilité de 0,000000000072%. Son activité spécifique est très faible ~ 2,2 × 10-6 Ci / g.
• ²³⁴ U . ²³⁴U appartient au groupe desisotopes fertiles. ²³⁴U se désintègre via la désintégration alpha jusqu’ಳ⁰Th avec une demi-vie de 246 000 ans. ²³⁴U se désintègre occasionnellement par fission spontanée avec une très faible probabilité de 0,000000000017%. Son activité spécifique est beaucoup plus élevée ~ 0,0063 Ci / g.

Isotopes du plutonium

• ²³⁸ Pu . ²³⁸ Pu appartient au groupe des isotopes fertiles. ²³⁸ Pu se désintègre via la désintégration alpha jusqu’à ²³⁴ U  avec une demi-vie de 87,7 ans. ^{Le 238} Pu génère une chaleur de désintégration très élevée et présente un taux de fission spontanée très élevé.
• ²³⁹ Pu . ^{Le 239}Pu appartient au groupe des isotopes fissiles. ²³⁹Pu se désintègre via la désintégration alpha jusqu’à ²³⁵ U avec une demi-vie de 24100 ans. Cet isotope est le principal isotope fissile utilisé.
• ²⁴⁰ Pu . ²⁴⁰Pu appartient au groupe desisotopes fertiles. ²⁴⁰Pu se désintègre via la désintégration alpha jusqu’à ²³⁶ U avec une demi-vie de 6560 ans. ^{Le 240}Pu a un taux de fission spontanée très élevé et une section efficace de capture radiative élevée pour les neutrons thermiques et aussi pour les neutrons de résonance.
• ²⁴¹ Pu . ^{Le 241}Pu appartient au groupe des isotopes fissiles. ²⁴¹Pu se désintègre via une désintégration bêta négative jusqu’à²⁴¹Am avec une demi-vie de 14,3 ans. Cet isotope fissile se désintègre en isotope non fissile avec une section efficace de capture radiative élevée pour les neutrons thermiques. Un impact sur la réactivité du combustible nucléaire est évident.

Autres isotopes

• ²⁴² cm. ²⁴² Cm se désintègre via la désintégration alpha avec une demi-vie de 162 jours. ²⁴² Cm se désintègre occasionnellement par fission spontanée avec une probabilité de 0,0000061%.
• ²⁵² Cf. ²⁵² Cf (demi-vie de 2,645 ans, rapport de branche SF d’environ 3,1%) peuvent être utilisés dans la source de neutrons primaire pour un meilleur suivi des opérations de démarrage et d’arrêt du réacteur lorsque le réacteur est sous-critique.

Fission spontanée et neutrons de source

Le terme « neutrons sources » fait référence à des neutrons autres que les neutrons de fission rapide ou retardée . En général, ils proviennent de sources autres que la fission induite par les neutrons. Ces neutrons sont très importants lors des opérations de démarrage et d’arrêt du réacteur lorsque le réacteur est sous-critique, car ils permettent de surveiller la sous-criticité d’un réacteur généralement via des détecteurs de neutrons excore à plage de sources.

Dans les réacteurs nucléaires, la fission spontanée est également très importante de ce point de vue. Dans un assemblage de combustible nucléaire irradié, il y a des nucléides, qui subissent un processus de fission spontanée. Comme il a été écrit, la fission spontanée est en fait une forme de désintégration radioactive qui ne se trouve que dans les éléments chimiques très lourds (en particulier les éléments transuraniens). Par exemple, ²⁴⁰ Pu a un taux très élevé de fission spontanée. Pour le combustible à haut taux de combustion, les neutrons sources sont fournis principalement par la fission spontanée des noyaux de curium (Cm-242 et Cm-244).

Source primaire de neutrons

Parfois, les neutrons sources doivent être artificiellement ajoutés au système. La source externe de neutrons contient un matériau qui émet des neutrons et des gaines pour fournir une barrière entre le liquide de refroidissement du réacteur et le matériau. Les sources externes sont généralement chargées directement dans le cœur du réacteur (par exemple, dans des tubes de guidage). Les sources de neutrons, basées sur la fission spontanée, sont appelées sources primaires . La source primaire de neutrons n’a pas besoin d’être irradiée pour produire des neutrons. Ces sources peuvent être utilisées notamment dans le cas d’un premier cœur (c’est-à-dire un cœur composé uniquement de combustible frais). La source primaire de neutrons est basée sur la réaction de fission spontanée. La source de fission spontanée la plus couramment utilisée est l’isotope radioactif californium-252. Le Cf-252 et toutes les autres sources de neutrons à fission spontanée sont produits en irradiant de l’uranium ou un autre élément transuranien dans un réacteur nucléaire, où les neutrons sont absorbés dans la matière de départ et ses produits de réaction ultérieurs, transmutant la matière de départ en isotope SF.