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Fragment de fission



Chronique de la vie d'un fragment de fission ...

La fission d'un noyau donne généralement deux fragments extrêmement radioactifs et instables. Ils vont chercher à retrouver la stabilité à travers une série de transformations. Le retour à la stabilité peut prendre des temps très variables. Le voyage ressemble à celui d'un train qui doit passer par plusieurs gares avant d'arriver au terminus. Le terminus est un noyau situé au fond de la vallée de stabilité.

Considérons l'exemple de la fission d'un noyau d'uranium-235 en deux fragments de 140 et 94 nucléons.



Le fragment le plus lourd est un isotope très radioactif du xénon qui comporte 4 neutrons de plus (86) que l'isotope stable le plus proche. Ce fragment lourd va évoluer en gardant ses 140 nucléons pour se transformer, grâce à l'émission successive de quatre électrons bêta, en un noyau stable. Ce noyau stable est un noyau de cérium-140, comportant 4 neutrons de moins ( 82) et 4 protons de plus (58) que le xenon-140 initial.

Pour reprendre l'image du train, la durée du voyage vers la première gare du césium-140 peut être représentée par la période radioactive du Xenon-140 : 13,6 secondes. Elle est très courte. La durée de la seconde étape est représentée par la période du césium-140 elle aussi très courte, 63 secondes. La période radioactive de la troisième étape, celle du baryum-140, de 12,7 jours est beaucoup plus longue. Enfin, la durée de la dernière étape représentée par la période du lanthane-140 est de 1,67 jours. Au total, la durée du voyage qui aboutit au terminus du cérium-140 sera en moyenne d'une quinzaine de jours, de l'ordre de la période radioactive de 12,7 jours la plus longue.

Evolution d'un fragment de fission à 140 nucléons
Le plus léger et le plus stable des noyaux à 140 nucléons est un isotope du cérium, le cérium-140 (indiqué en bleu). Le diagramme représente la différence des énergies internes (ou de masse) des noyaux de cette famille par rapport à ce noyau stable, les noyaux étant rangés d'après leur nombre croissant de protons. Le fragment de fission « brut », un noyau de xénon-140, se trouve à gauche. Il perd son excédent d'énergie, en sautant les 4 marches d'escalier qui le séparent du cérium-140 stable. Chaque saut est accompagné d'une émission d'électron bêta.
IN2P3

Le fragment léger de strontium-94 aboutit pour sa part, après une évolution similaire, à un noyau de zirconium-94 stable.

Ce scénario est général. Les fragments bruts retrouvent la stabilité dont ils sont éloignés en utilisant les deux moyens mis à leur disposition par la Nature: l'expulsion des neutrons et les désintégrations bêta. L'expulsion de neutrons est rare, car gourmande en énergie. Elle se produit au début de la cascade de transformations, car ensuite elle devient impossible quand le noyau se rapproche de la stabilité. Cette expulsion survient avec un certain retard par rapport à la fission et ses neutrons primaires. Bien que marginale, cette expulsion de neutrons dits retardés joue un rôle important dans les réacteurs facilitant le contrôle de la réaction en chaîne.

Ce sont les désintégrations bêta qui assurent surtout le retour vers la stabilité. La durée de ce retour dépend principalement de la période radioactive la plus longue dans la cascade de désintégration. Dans l'exemple du xénon-140 et du strontium-94, l'évolution vers des produits de fission stables est rapide. Ce n'est pas toujours le cas. L'arrivée au fond de la vallée de stabilité peut prendre beaucoup de temps. Un fragment de 137 nucléons mettra 30 ans pour franchir la dernière étape et passer du césium-137 au baryum-137. Un fragment de 99 nucléons mettra 210 000 ans pour passer du technétium-99 au ruthénium-99 final.

Le combustible nucléaire reste de 3 à 4 années dans le cœur des réacteurs. Durant ce long séjour, la plupart des fragments de fission auront eu le temps, comme le xénon-140 de l'exemple, de perdre leur radioactivité. Mais d'autres n'y seront pas arrivés. Ces produits de fission qui mettent du temps à franchir l’ultime étape vers la stabilité sont responsables d’une grande partie de la radioactivité du combustible usé des réacteurs.

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