Le processus de fission
Lorsqu’ils sont bombardés par des neutrons, certains isotopes de l’uranium et du plutonium (et certains autres éléments plus lourds) vont se scinder en atomes d’éléments plus légers, un processus connu sous le nom de fission nucléaire. En plus de cette formation d’atomes plus légers, en moyenne entre 2,5 et 3 neutrons libres sont émis dans le processus de fission, ainsi qu’une énergie considérable. En règle générale, la fission complète de 1 kg (2,2 livres) d’uranium ou de plutonium produit environ 17,5 kilotonnes d’énergie explosive équivalente au TNT.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Dans une bombe atomique ou un réacteur nucléaire, on donne d’abord à un petit nombre de neutrons suffisamment d’énergie pour entrer en collision avec certains noyaux fissiles, qui produisent à leur tour des neutrons libres supplémentaires. Une partie de ces neutrons est capturée par des noyaux qui ne fissionnent pas, d’autres s’échappent de la matière sans être capturés, et le reste provoque de nouvelles fissions. De nombreux noyaux atomiques lourds sont capables de fissionner, mais seule une fraction d’entre eux est fissile, c’est-à-dire qu’elle peut être fissionnée non seulement par des neutrons rapides (très énergétiques) mais aussi par des neutrons lents. Le processus continu par lequel les neutrons émis par les noyaux en fission induisent des fissions dans d’autres noyaux fissiles ou fissionnables est appelé réaction en chaîne de fission. Si le nombre de fissions d’une génération est égal au nombre de neutrons de la génération précédente, le système est dit critique ; si ce nombre est supérieur à un, il est supercritique ; et s’il est inférieur à un, il est sous-critique. Dans le cas d’un réacteur nucléaire, le nombre de noyaux fissiles disponibles à chaque génération est soigneusement contrôlé pour éviter un emballement de la réaction en chaîne. Dans le cas d’une bombe atomique, cependant, on cherche à obtenir une croissance très rapide du nombre de fissions.
Les armes à fission sont normalement fabriquées avec des matériaux ayant de fortes concentrations des isotopes fissiles uranium-235, plutonium-239, ou une combinaison de ceux-ci ; cependant, certains dispositifs explosifs utilisant de fortes concentrations d’uranium-233 ont également été construits et testés.
Les principaux isotopes naturels de l’uranium sont l’uranium-235 (0,7 %), qui est fissile, et l’uranium-238 (99,3 %), qui est fissile mais non fissile. Dans la nature, le plutonium n’existe qu’en concentrations infimes, c’est pourquoi l’isotope fissile plutonium-239 est fabriqué artificiellement dans les réacteurs nucléaires à partir de l’uranium-238. (Voir traitement de l’uranium.) Pour provoquer une explosion, les armes à fission n’ont pas besoin d’uranium ou de plutonium pur dans les isotopes uranium-235 et plutonium-239. La plupart de l’uranium utilisé dans les armes nucléaires actuelles est un uranium 235 enrichi à environ 93,5 %. Les armes nucléaires contiennent généralement 93 % ou plus de plutonium-239, moins de 7 % de plutonium-240 et de très petites quantités d’autres isotopes du plutonium. Le plutonium-240, un sous-produit de la production de plutonium, présente plusieurs caractéristiques indésirables, notamment une masse critique plus importante (c’est-à-dire la masse nécessaire pour générer une réaction en chaîne), une plus grande exposition des travailleurs aux radiations (par rapport au plutonium-239) et, pour certains modèles d’armes, un taux élevé de fission spontanée qui peut entraîner le déclenchement prématuré d’une réaction en chaîne, avec pour conséquence un rendement plus faible. Par conséquent, dans les réacteurs utilisés pour la production de plutonium-239 de qualité militaire, la période pendant laquelle l’uranium-238 est laissé dans le réacteur est restreinte afin de limiter l’accumulation de plutonium-240 à environ 6 pour cent.