Barrière coulombienne

Pour déterminer la barrière de fission, on calcule l’énergie totale d’un noyau père le long d’une séquence de formes, qui part du noyau initial sphérique jusqu’à la formation de deux noyaux fils distants[5]. La hauteur de la barrière de fission est égale à la différence entre l’énergie maximale atteinte par le système et son énergie initiale.

La plupart des calculs sont basés sur le modèle de la goutte liquide (GL), auquel on ajoute une interaction nucléaire de proximité (NP)[6], qui intervient aux grandes déformations et quand les deux noyaux fils se séparent :

Les barrières de fission passent par un maximum pour les noyaux de masse 50-60, qui sont donc très stables ; les noyaux deviennent instables vis-à-vis de la fission lorsque le produit des charges (Z₁Z₂) dépasse 2 000.

Séquence de formes utilisée pour modéliser la fusion de deux noyaux.

En raison de leur portée (même faible), les forces nucléaires agissent avant le contact des deux noyaux ; le maximum de la barrière de fusion est localisé à une distance entre les deux noyaux plus grande que la somme de leurs rayons respectifs.

La barrière de fusion entre deux noyaux peut donc être estimée par l’énergie électrostatique lorsque leurs surfaces géométriques sont distantes de 1,5 femtomètres :

La barrière de fusion augmente continûment avec la masse et la charge des noyaux en interaction.

Lorsque la barrière de fission est positive, un noyau ne peut fissionner spontanément que par un effet purement quantique, l’effet tunnel[8]. La probabilité de fission dépend de manière très sensible de la hauteur de la barrière et de sa largeur.

Pour les noyaux légers : la radioactivité alpha est le processus dominant, que l’on peut considérer comme une fission asymétrique avec émission d’un noyau d'hélium 4. Pour les noyaux lourds, la fission en deux noyaux fils dont les charges sont distribuées statistiquement autour de la moitié de la charge du noyau père est favorisée.

Lorsqu’un noyau n’est pas dans son état fondamental, le processus de fission peut être favorisé ; on parle de fission induite. Par exemple la fission de l’uranium dans les centrales nucléaires est induite par absorption de neutrons.

Les collisions entre noyaux dans les accélérateurs peuvent provoquer le transfert de moment angulaire entre les noyaux du faisceau et ceux de la cible. La rotation des noyaux qui en résulte, introduit dans leur énergie un terme supplémentaire, qui abaisse la barrière de fission. Avec des vitesses de rotation croissantes, le noyau se déforme, puis fissionne spontanément.

Seuls les neutrons, non chargés électriquement, peuvent fusionner spontanément avec un noyau. Pour que deux noyaux chargés fusionnent, il est nécessaire de leur fournir une énergie cinétique suffisante pour passer la barrière coulombienne, comme :

- dans les collisions entre noyaux provoquées dans les accélérateurs de particules ;

- dans les cœurs des étoiles, lors du processus de nucléosynthèse (fusion de noyaux légers chauffés et comprimés par la gravitation) ;

- dans les réacteurs de fusion, où la nucléosynthèse est provoquée dans une matière nucléaire chauffée et comprimée par de puissants champs magnétiques (fusion par confinement inertiel).

Dans les deux derniers cas, les températures nécessaires sont de l’ordre de plusieurs centaines de millions de degrés. En 1989, deux physiciens américains[9] ont affirmé avoir observé des phénomènes de fusion nucléaire dans des expériences d'électrolyse, c'est-à-dire aux pression et température ambiante (voire article fusion froide). Leurs résultats n'ont jamais pu être validés, mais font toujours l'objet de recherches, vu l'impact technique et économique qui en découlerait.