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Une fission particulière

Les fissions d'un noyau en deux fragments sont de loin les plus fréquentes.
Une fission caractéristique est la réaction :
n + 23592 U --> 23692 U --> 14054Xe + 9438Sr + 2 n + g
qui aboutit à des noyaux de xénon et de strontium comportant 140 et 94 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 la famille par rapport à ce noyau stable, les noyaux étant rangés d'après leur nombre croissant de protons, le produit 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. Chaque saut est accompagné d'une émission d'électron (radioactivité). Les sauts s'arrêtent au cérium, car l'escalier remonte au-delà.
IN2P3
Le fragment le plus lourd est un isotope du xénon très radioactif qui comporte 4 neutrons de plus (86) que l'isotope stable du xénon le plus proche. Ce fragment lourd va évoluer en gardant ses 140 nucléons pour se transformer en un noyau stable de cérium-140 (14058Ce), grâce à l'émission successive de quatre électrons bêta.

Il mettra environ 14 secondes pour se transformer en césium-140, puis 64 secondes en baryum-140, 12,7 jours en lanthane-140, avant de mettre 1,67 jour pour arriver au cérium-140.

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 deux moyens mis à leur disposition par la Nature: l'expulsion des neutrons et les désintégrations bêta. L'expulsion de neutrons peut intervenir au début de la chaîne de désintégrations. Cette option se ferme toutefois vite, car elle devient prohibitive en énergie, mais elle est à l'origine de neutrons qui accompagnent la fission et entretiennent la réaction en chaîne.

Ce sont les désintégrations bêta qui assurent le retour vers la stabilité. 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.