Physique de pointe

Réactions nucléaires et fission

Modélisez un événement de fission et sa multiplication de neutrons : faites varier le paramètre pour placer le facteur de multiplication $k_{\mathrm{eff}}$ sous, à, et au-dessus de 1, puis estimez l'énergie libérée par $Q=(m_{\mathrm{initial}}-m_{\mathrm{final}})c^2$ .

Avancé

⚠ Les expériences de fission réelles impliquent rayonnements ionisants et sources de neutrons ; elles exigent des installations agréées, blindage et dosimétrie — ne manipulez jamais de matières radioactives ailleurs.

Matériel

Modèle 3D de fission émettant fragments et neutrons secondaires
Curseur « paramètre » (contrôle la multiplication des neutrons)
Curseurs « bruit » et « paramètre physique »
Commande « écoulement du temps » pour l'évolution de la chaîne

Protocole

Observer une fission
Déclenchez l'événement et regardez un noyau lourd se scinder en deux fragments plus des neutrons secondaires. Charge et nombre de nucléons sont conservés ; pour un événement typique de $^{235}$ U, les fragments emportent environ 200 MeV d'énergie cinétique, conformément à $Q=\Delta m\,c^2$ .
Régler le facteur de multiplication
Balayez le curseur du paramètre pendant que l'évolution temporelle tourne. Sous la criticité ( $k_{\mathrm{eff}}<1$ ) la population de neutrons s'éteint ; à $k_{\mathrm{eff}}=1$ elle s'auto-entretient ; au-delà elle croît exponentiellement — repérez le réglage où la chaîne s'entretient juste.
Ajouter du bruit et comparer les régimes
Montez le curseur de bruit et relancez près de $k_{\mathrm{eff}}=1$ : les fluctuations statistiques décident de la survie de chaque chaîne. Estimez l'énergie par fission (environ 200 MeV $=3.2\times10^{-11}$ J) et calculez combien de fissions par seconde un réacteur de 1 GW requiert.

Simulation

Histoire de l’expérience

Otto Hahn et Fritz Strassmann observèrent du baryum parmi les produits d'uranium bombardé de neutrons en décembre 1938 — résultat chimiquement impossible sans scission du noyau. Lise Meitner et Otto Frisch l'expliquèrent quelques semaines plus tard comme fission nucléaire et estimèrent l'énergie libérée ; Frisch la confirma expérimentalement début 1939. Leo Szilárd vit aussitôt la possibilité d'une réaction en chaîne, et la Chicago Pile-1 d'Enrico Fermi atteignit la première chaîne auto-entretenue le 2 décembre 1942. La physique bifurqua ensuite vers les réacteurs de puissance et les armes — et vers les garanties de sûreté, car le même régime

k_{\mathrm{eff}}>1

sous-tend les deux.

Physiciens associés

Marie Curie Albert Einstein

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