fission et fusion nucléaire carte mentale

Comprendre le sujet

La fission et la fusion nucléaire sont deux réactions qui transforment des noyaux atomiques et libèrent de l'énergie. La fission consiste à briser un noyau lourd, comme l'uranium 235, en fragments plus légers, tandis que la fusion réunit des noyaux légers, comme l'hydrogène, pour former un noyau plus lourd. Cette carte mentale compare leurs mécanismes, leurs conditions de déclenchement, leurs applications civiles et militaires, ainsi que les défis techniques de la fusion contrôlée.

Comment fonctionne la fission
Dans la fission, un neutron lent frappe un noyau fissile comme l'uranium 235. Le noyau devient instable, se déforme puis se scinde en deux fragments de taille moyenne, en libérant deux ou trois neutrons, un rayonnement gamma et une énergie d'environ 200 MeV. Si au moins un de ces neutrons provoque une nouvelle fission, la réaction en chaîne s'entretient. Dans un réacteur, on la maintient à un niveau constant grâce aux barres de contrôle qui absorbent les neutrons et au modérateur qui les ralentit. Sans ces dispositifs, la réaction peut croître très rapidement, ce qui distingue un réacteur d'une explosion nucléaire.

Pourquoi la fusion exige-t-elle des conditions extrêmes
Les noyaux atomiques sont tous chargés positivement et se repoussent par la force électrostatique. Pour fusionner, ils doivent s'approcher à une distance où l'interaction forte l'emporte, ce qui exige une énergie cinétique énorme : des températures de l'ordre de centaines de millions de degrés. À ces températures, la matière forme un plasma que nul matériau ne peut contenir. Deux stratégies existent : le confinement magnétique, qui maintient le plasma dans un champ magnétique puissant comme dans un tokamak, et le confinement inertiel, qui comprime une microcible par des lasers pendant une durée très brève. Le défi est de maintenir ces conditions assez longtemps pour un bilan d'énergie positif.

Deux mécanismes, une même origine d'énergie
La fission et la fusion libèrent de l'énergie pour la même raison : le produit de la réaction possède une énergie de liaison par nucléon supérieure à celle des noyaux initiaux. La différence de masse se convertit en énergie selon la relation d'Einstein E = mc². La courbe d'énergie de liaison atteint son maximum autour du fer : les noyaux plus lourds que le fer gagnent à se fissionner, les noyaux plus légers à fusionner. C'est pourquoi les étoiles fusionnent l'hydrogène puis des éléments plus lourds jusqu'au fer, tandis que les réacteurs exploitent des noyaux très lourds comme l'uranium et le plutonium.

Histoire et applications
La fission est découverte en 1938 par Otto Hahn et Fritz Strassmann, puis interprétée par Lise Meitner et Otto Frisch. La première réaction en chaîne contrôlée est obtenue en 1942 à Chicago par l'équipe d'Enrico Fermi. La fusion des étoiles est expliquée théoriquement par Hans Bethe dans les années 1930. La fission est maîtrisée industriellement depuis les années 1950 pour produire de l'électricité, tandis que la fusion reste expérimentale, avec des installations comme ITER à Cadarache. Les deux réactions soulèvent des enjeux distincts : déchets radioactifs et sûreté pour la fission, faisabilité technique et coût pour la fusion.