Dans le domaine subatomique régi par les règles de la mécanique quantique, un processus appelé fission fournit la source fondamentale d'énergie pour les bombes atomiques et les réacteurs nucléaires. Ce qui sépare ces deux résultats très différents - l'un violent, l'autre contrôlé - est le concept de masse critique, une ligne de démarcation imaginaire qui détermine si une réaction nucléaire est lente et prolongée ou rapide et de courte durée.
Fission atomique
Les atomes d'éléments instables tels que l'uranium et le plutonium se divisent en paires d'éléments plus légers lorsqu'ils subissent une désintégration radioactive, un processus appelé fission. Par exemple, l'uranium 235 peut se diviser en krypton 89 et baryum 144, une fission qui émet également deux neutrons restants. Les éléments plus légers peuvent également être instables, se poursuivant comme une chaîne de désintégration radioactive qui peut comprendre une douzaine d'éléments ou plus et prendre des millions d'années à compléter.
Réactions en chaîne et chance
Un noyau d'uranium se divise en deux plus légers éléments lorsqu'il absorbe un neutron errant; le neutron déstabilise le noyau, le rendant plus susceptible de subir une fission. Parce qu'une fission produit des neutrons libres, ils peuvent frapper les atomes voisins, les provoquant également à se diviser, créant une réaction en chaîne d'événements de fission. Comme les réactions nucléaires sont de nature mécanique quantique, elles sont régies par les probabilités et le hasard. Lorsque les réactions en chaîne sont moins susceptibles de se produire, elles s'éteignent, car de moins en moins de neutrons déclenchent des fissions successives. Lorsque les circonstances favorisent les réactions en chaîne, les fissions se poursuivent de manière régulière. Et lorsque les fissions sont très probables, les réactions en chaîne s'accélèrent, divisant un nombre rapidement croissant d'atomes et libérant leur énergie.
Masse critique
La probabilité de fissions et de réactions en chaîne dépend en partie de la masse du radioactif matériel impliqué. À un point appelé masse critique, les réactions en chaîne sont largement auto-entretenues mais n'augmentent pas. Chaque élément radioactif a une masse critique spécifique pour une sphère de la substance; par exemple, la masse critique d'uranium-235 est de 56 kg, alors que seulement 11 kg de plutonium-239 sont nécessaires. Les scientifiques qui détiennent des stocks de matières radioactives les stockent de telle manière que ces quantités ne se produisent jamais dans le même voisinage général; sinon, ils peuvent produire de violents sursauts de rayonnement létal.
Masse sous-critique et supercritique
Pour une forme sphérique de substance radioactive, l'augmentation de la masse augmente le nombre de neutrons émis à un moment donné et la probabilité que les fissions entraînent des réactions en chaîne. Des quantités inférieures à une masse critique d'un élément radioactif ont des réactions en chaîne, mais elles sont plus susceptibles de s'éteindre que de continuer. Au-delà de la masse critique, le taux de fissions augmente, conduisant à une situation dangereuse et incontrôlable. Les centrales nucléaires utilisent des quantités sous-critiques d'éléments radioactifs - suffisamment pour produire des quantités généreuses d'électricité mais qui, pour des raisons de sécurité, ne peuvent jamais conduire à une explosion nucléaire. Les bombes atomiques, en revanche, utilisent une quantité de matériaux beaucoup plus proche d'une masse critique. Une bombe atomique reste sous-critique jusqu'à ce qu'elle soit déclenchée par une explosion de neutrons et écrasée par une explosion d'explosifs puissants conventionnels. Les explosifs font que le matériau devient momentanément supercritique; les réactions en chaîne deviennent incontrôlables en quelques millionièmes de seconde, libérant l'équivalent énergétique de dizaines de milliers de tonnes de TNT.
