Masse critique (réaction nucléaire)

La masse critique de matière fissile est la masse minimale de matière suffisant au déclenchement d'une réaction de fission nucléaire en chaîne (voir aussi : fission nucléaire).

Caractérisation

Elle dépend des propriétés nucléaires du matériau considéré (section efficace de fission, et nombre de neutrons produits par la fission), mais aussi de ses propriétés physiques (en particulier de sa densité), de sa forme et de sa pureté.

En effet, un matériau fissible est un matériau qui contient des atomes lourds (ex. : uranium 235) qui se cassent (fission) sous l'impact d'un neutron. Le résultat de cette fission consiste en des produits résiduels de fission, de l'énergie (principalement thermique) et l'émission de deux à trois nouveaux neutrons, qui eux-mêmes vont casser d'autres noyaux, etc., d'où le terme de « réaction en chaîne ».

Néanmoins, ce processus est théorique. En simplifiant, tous les neutrons ne sont pas absorbés par un noyau fissible : certains sont absorbés par des impuretés, d'autres sortent du matériau sans avoir pu rencontrer un noyau à casser.

Ainsi, en faisant varier la taille, la densité, la pureté du matériau, la forme même, une plus grande proportion de neutrons va être efficace. Pour une quantité minimale de matériau, la réaction en chaîne peut démarrer, c'est ce qu'on appelle la « masse critique ».

En entourant le matériau fissile d'un réflecteur de neutrons, on favorise la fission, ce qui diminue la quantité nécessaire au déclenchement de la réaction ; en revanche, la présence d'un absorbeur de neutrons au sein de la matière fissile entraîne l'effet contraire.

Valeurs de masses critiques

Masses critiques de quelques isotopes fissiles en configuration sphérique et à une densité donnée[1] :

Isotope	Masse critique (kg)	Demi-vie (années)	Chaleur de fission (W/kg)	Production de neutrons (neutrons kg⁻¹ s⁻¹)
Uranium 233	16	160 000	0,28	1,2
Uranium 235	48	700 000 000	0,00006	0,36
Neptunium 237	59	2 100 000	0,021	0,14
Plutonium 238	10	88	560	2 700 000
Plutonium 239	10	24 000	2,0	22
Plutonium 240	37	6 600	7	1 000 000
Plutonium 241	13	14	6,4	49
Plutonium 242	89	380 000	0,12	1 700 000
Américium 241	57	430	110	1 500

Exemples

Dans un réacteur nucléaire, le matériau dépasse bien sûr la masse critique, mais il n'y a pas de réaction en chaîne car on contrôle finement le nombre de neutrons pour qu'il soit stable. Ceci est obtenu par l'insertion ou le retrait de barres de contrôle (contenant un absorbeur de neutrons, bore ou cadmium).

Dans les bombes atomiques (voir schémas dans cet article), deux méthodes existent pour obtenir cette masse critique :
- l'insertion, méthode la plus simple : dans une sorte de tube de canon, deux masses subcritiques sont projetées l'une à l'intérieur de l'autre, l'assemblage étant critique. Exemple : bombe d'Hiroshima à l'uranium ;
- l'implosion, méthode plus performante parce que plus rapide : une sphère creuse de matériaux fissiles est compressée par des lentilles explosives pour former une boule très dense, supercritique. Exemple : bombe de Nagasaki au plutonium.

L'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA) définit comme une « quantité significative » de matière fissible la quantité de matière nécessaire pour faire une bombe à implosion de première génération, du type de celle de Nagasaki. Les quantités significatives retenues par l'AIEA sont de 8 kg de plutonium, et 25 kg d'U²³⁵ sous forme d'uranium hautement enrichi (en tenant compte des pertes de production). Toutefois, les États-Unis ont rendu public le fait que 4 kg de plutonium suffisent à réaliser un engin nucléaire explosif. Si on se fonde sur le même ratio de masse critique, une quantité trois fois supérieure (de l'ordre de 12 kg) d'UHE serait suffisante pour un engin de cette technologie[2].

Notes et références

(en) Monitoring Nuclear Weapons and Nuclear-Explosive Materials, National Research Council, Policy and Global Affairs, Committee on International Security and Arms Control.
(en) Materials: Overview - Highly enriched uranium and plutonium are the key nuclear weapon materials, International Panle on Fissile Materials, sur fissilematerials.org, 27 décembre 2010 (consulté le 22 septembre 2017).

Articles connexes

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[1] (en) Monitoring Nuclear Weapons and Nuclear-Explosive Materials, National Research Council, Policy and Global Affairs, Committee on International Security and Arms Control.

[2] (en) Materials: Overview - Highly enriched uranium and plutonium are the key nuclear weapon materials, International Panle on Fissile Materials, sur fissilematerials.org, 27 décembre 2010 (consulté le 22 septembre 2017).