Nouvelles perspectives sur le mécanisme de la fission nucléaire

La fission nucléaire, dans laquelle un noyau lourd se scinde en deux et libère de l'énergie, est connue depuis plus de 80 ans. Cependant, aujourd’hui encore, des questions restent ouvertes sur le phénomène. Les scientifiques se demandent notamment comment expliquer que lorsqu'un noyau atomique lourd fissionne, les fragments qui en résultent possèdent un moment angulaire (ils tournent sur eux-mêmes), tandis que le noyau original n’en a pas du tout. Ce phénomène, extrêmement complexe à observer, est au cœur d’une nouvelle étude menée par la collaboration internationale nu-Ball1 dirigée par l'IJCLab à Orsay. Ses résultats paraissent aujourd’hui dans l'article « Angular momentum generation in nuclear fission » publié dans la revue Nature.

• 1 La collaboration nu-Ball réunit des physiciens et des physiciennes nucléaires autour de l'étude spectroscopique de la structure des noyaux exotiques. Elle mobilise près de 150 scientifiques issus de 37 instituts répartis dans 16 pays. nu-Ball est dirigée par le Laboratoire Irène-Joliot-Curie (IJCLab) à Orsay. Les autres laboratoires de l’IN2P3 associés sont SUBATECH, le CENBG, l’IPHC, le GANIL, et le LPC Caen.

Pour s’attaquer à cette question, la collaboration nu-Ball a cherché à préciser le moment précis où le moment angulaire apparaissait dans les fragments. S’il était créé pendant la déformation du noyau fissionnant ou juste après la rupture. Dans le premier cas, un couplage entre les spins des deux fragments devait être constaté. L’absence de couplage plaiderait en revanche pour une mise en rotation décalée. Pour mesurer cela la collaboration nu-Ball a induit des réactions de fission nucléaire avec la source de neutrons pulsés Licorne et a mesuré les rayons gamma émis lors de l’expérience avec l’ensemble de détection gamma nu-Ball. Les échantillons irradiés étaient de l'isotope d'uranium ²³⁸U et de l'isotope de thorium ²³²Th. Les expériences ont été réalisées de février à juin 2018 avec plus de 1200 heures de faisceau cumulé auprès de l’accélérateur du tandem.

Les nouvelles données semblent indiquer que le moment angulaire observé dans les fragments de fission est en fait généré après la division du noyau. Comme attendu, les détecteurs gamma observent que le moment angulaire moyen des fragments varie avec leur masse, en suivant une courbe en dent de scie. Mais il ressort aussi que les deux fragments ont des masses distinctes et un spin moyen différent.

« Une rotation générée après la fission »

Jonathan Wilson (IJCLab), porte-parole de la collaboration nu-Ball, déclare : « Ce qui m'a vraiment surpris, c'est l'absence de dépendance significative du spin moyen observé dans un fragment par rapport au spin minimum exigé dans le fragment partenaire. Cette observation discrédite la plupart des théories qui supposent que le moment angulaire est généré avant la fission. Nos résultats montrent que cette rotation du fragment sur lui-même est générée après la fission. On pourrait illustrer le phénomène par un élastique tendu qui serait brusquement lâché et générerait une force de rotation ou de torsion ».

Ces nouvelles perspectives 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 ont également des conséquences dans d'autres domaines de recherche, comme l'étude de la structure des isotopes riches en neutrons ; la synthèse et la stabilité des éléments super-lourds ; mais aussi dans des applications pratiques telles que le problème d’échauffement dans les réacteurs nucléaires dû à l’émission des rayons gamma. L’évaluation de la quantité de rayons gamma émise lors de la fission nucléaire est déterminante pour le calcul des effets calorifiques.

Publication : J.N. Wilson et al., « Angular momentum generation in nuclear fission » (2021), Nature.