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Nouvelles perspectives sur le mécanisme de la fission nucléaire

Recherche Article publié le 02 mars 2021

À la tête d’une collaboration internationale, les physiciens nucléaires de l'installation ALTO (laboratoire IJCLab - UnivParis-Saclay/CNRS) ont démontré comment le spin de deux fragments, résultant de la fission d'un noyau atomique, était généré.

IJCLab leader d’une collaboration internationale

Une série d'expériences menées avec l'accélérateur de particules ALTO sur le campus d’Orsay a révélé que les fragments résultant de la fission nucléaire obtiennent leur mouvement de rotation (ou spin) après le processus de fission et non avant, comme les théories le prévoyaient jusque-là. Ce résultat a été rendu possible grâce à la collaboration « nu-Ball », un groupe international de physiciens nucléaires visant à étudier un large éventail de noyaux et leur structure.
Le groupe est composé de chercheurs de 37 instituts et 16 pays et est dirigé par le laboratoire de physique des deux infinis Irène-Joliot-Curie d'Orsay (IJCLab). Les résultats sont présentés dans un article récemment publié dans Nature intitulé « Angular momentum generation in nuclear fission ».

 

Le processus de fission nucléaire à l’étude

Le processus de la fission nucléaire au cours duquel un noyau d’éléments lourds se scinde en deux fragments en libérant de l'énergie, a été découvert à la fin des années 1930 par les chimistes Otto Hahn et Fritz Strassmann, et les physiciens Lise Meitner et Otto Frisch. Cependant, des questions sur le mécanisme exact de ce processus persistent à ce jour. Cette nouvelle étude a pour objectif de comprendre pourquoi, quand un noyau atomique lourd fissionne, les fragments en résultant sont en rotation, même lorsque le noyau d'origine ne tourne pas sur lui-même. Il existe de nombreuses théories concurrentes, mais la majorité pense que le spin des fragments de fission est généré avant que le noyau ne se scinde, ce qui conduit à une corrélation claire des spins des deux fragments partenaires.
Pour révéler le mécanisme générant le spin des fragments, l'équipe a induit des réactions de fission nucléaire à l'installation ALTO et mesuré les rayons gamma, qui sont émis au cours du processus. Plus précisément, ils ont irradié des échantillons de l'isotope d'uranium 238U et de l'isotope de thorium 232Th avec un faisceau de neutrons pulsés. Les expériences ont été réalisées de février à juin 2018 avec plus de 1 200 heures de temps de faisceau.

Un spin généré après la séparation du noyau

L’analyse des rayons gamma émis au cours de la fission d’un noyau lourd montre que le spin des fragments apparaît après la fission du noyau. L'auteur principal de l'étude, le Dr Jonathan Wilson, chercheur à l’IJCLab, témoigne « Ce qui m'a vraiment surpris, c'est le manque de dépendance significative du spin moyen observé dans un fragment envers le spin minimum exigé dans le fragment partenaire. La plupart des théories supposant que le spin est généré avant la fission auraient supposé une forte corrélation. Nos résultats montrent que le spin du fragment est généré après le fractionnement. Elle peut être illustrée par l’encliquetage d’une bande élastique étirée qui génère une force de rotation ».

Ces découvertes sur le rôle du moment angulaire dans la fission nucléaire sont importantes pour la compréhension fondamentale et la description théorique du processus de fission. Elles impliquent également d'autres domaines de recherche, tels que l'étude de la structure des isotopes riches en neutrons ainsi que la synthèse et la stabilité d'éléments super-lourds.
Ces nouvelles connaissances ont des conséquences sur des applications concrètes, comme le problème de l’échauffement sous l’action des rayons gamma dans les réacteurs nucléaires. La connaissance des caractéristiques des rayons gamma émis lors de la fission est nécessaire pour évaluer les dépôts d’énergie dans un réacteur en fonctionnement.

Contact medias :
Jonathan WILSON, Jonathan.wilson@ijclab.in2p3.fr
Service communication :
Dominique BONY, communication@ijclab.in2p3.fr
Publication :
J.N. Wilson et al., ‘Angular momentum generation in nuclear fission’, Nature …… (2021)
www.nature.com/articles/s41586-021-03304-w

Crédits photos :
Image couverture : Design © Birdeesign / Luc Petizon
Nuball :  © CNRS/luc petizon