Fission nucléaire : découverte d’un nouvel îlot de fission asymétrique

Une collaboration internationale menée par une équipe du CEA - DAM vient de montrer l’existence, contre toute attente, d’une nouvelle région de fission asymétrique dans la carte des noyaux atomiques [1]. Elle révèle le mécanisme à l’origine de cette fission asymétrique, distinct de celui observé dans la fission asymétrique connue de noyaux comme l’uranium. Alors que le noyau se divise en deux fragments, le premier mécanisme est gouverné par le fragment léger et le second par le fragment lourd.

Lorsqu’un noyau atomique fissionne, il se scinde en deux noyaux plus légers, appelés fragments, libérant une quantité d’énergie considérable. D’abord comparée à la division d’une goutte liquide, la fission nucléaire a ensuite été appréhendée en prenant en compte les aspects microscopiques du phénomène. Malgré sa découverte il y a plus de 85 ans, l’imbrication entre effets macroscopiques et microscopiques reste une question ouverte.

Comprendre la formation des fragments de fission est important pour l’énergie nucléaire et la sûreté des réacteurs, pour certains processus astrophysiques, et aussi pour le programme Simulation du CEA ‑ DAM. Les données expérimentales se concentrent principalement dans la région des noyaux stables, existant sur Terre, représentés en noir sur la figure 1. La carte des noyaux sur cette figure les classe en fonction du nombre de protons et de neutrons qu’ils comportent ; les noyaux stables sont regroupés dans la « vallée de stabilité » et sont les mieux connus. Pour la fission, les noyaux étudiés comme l’uranium sont très lourds et quasi stables : ils sont regroupés dans un « îlot de fission » autour de 90 à 100 protons et 140 neutrons. En revanche, les données expérimentales manquent pour certains noyaux, riches ou déficients en neutrons, alors qu’ils sont cruciaux pour les applications mentionnées précédemment et pour le programme Simulation. Des prévisions théoriques sont disponibles, mais leur validation passe par la confrontation à l’expérience.

On sait que les noyaux très lourds et quasi stables, comme l’uranium, se divisent préférentiellement de manière asymétrique, c’est-à-dire en deux fragments de masses différentes. Il était par contre admis que les noyaux plus légers se scindaient de façon symétrique en deux fragments quasi identiques. Et pourtant, des expériences ont récemment révélé une division asymétrique de noyaux déficients en neutrons, formant un îlot autour de 80 protons et 100 neutrons (figure 1). Cette découverte a déclenché un nouvel élan de recherches tant expérimentales que théoriques.

Issus d’une collaboration européenne et internationale, nos travaux explorent la fission d’une centaine de noyaux déficients en neutrons auprès d’un accélérateur de particules de l’installation internationale GSI, située près de Darmstadt, en Allemagne. En mesurant avec précision la distribution de charge des fragments de fission, nous apportons un éclairage inédit sur les effets microscopiques qui régissent la fission. Nous avons montré que cette nouvelle forme de division asymétrique est gouvernée par le fragment le plus léger, contrairement aux noyaux quasi stables où l’asymétrie est dictée par le fragment le plus lourd. L’asymétrie de la fission est présentée sur la figure 1 pour l’ensemble des noyaux étudiés : la variable d’asymétrie As est nulle lorsque la fission est symétrique et tend vers 1 pour une fission asymétrique ; les deux îlots sont séparés par une large zone de fission symétrique.

Notre approche expérimentale (dispositif expérimental sur la figure 2) apporte de nouvelles données qui révèlent un effet stabilisateur lié à des effets microscopiques dans le fragment léger avec un nombre de protons égal à 36 (krypton). Cet effet remarquable élargit notre compréhension de l’influence de la structure nucléaire sur la fission. Au-delà de la cartographie des différents modes de fission, il enrichit notre connaissance du phénomène et améliore la capacité des prévisions théoriques de la distribution des fragments de fission.

Cette découverte constitue la première étape dans l’étude de ce nouvel îlot. Des expériences complémentaires sont prévues au sein de la même installation, après d’importantes améliorations techniques. Nous espérons ainsi cartographier plus en détail cette zone de la carte des noyaux et faire progresser notre connaissance de la matière nucléaire.