Neutronique

Neutronique

Cette discipline étudie le cheminement des neutrons à l’état libre entre leur émission par une réaction nucléaire et leur absorption par la matière et, plus spécialement, les conditions d’une réaction en chaîne de fissions da de la production de p 4 du terme, la physiqu es Swape nextp g physique nucléaire, q eutrons et fournit le Au sens plus large la ns induites par les base nécessaires aux neutroniciens, la radioprotection, voire même la thermohydraulique.

Compte tenu de rorientation actuelle du nucléaire pour une gestion optimisée tant des matières premières que des déchets (concepts de réacteurs innovants), des données nucléaires nouvelles, en particulier pour la transmutation, et plus précises sont exigées.

Pour établir les données nucléaires indispensables aux calculs de neutronique des différents réacteurs et aux calculs des paramètres physiques des cycles associés du combustible nucléaire, des procédures basées la fois sur l’expérience et la théorie sont mises en œuvre. rayonnement gamma energie uranium 235 noyau fissile fragments de fission gam ma Principe de la réaction en chaîne de fissions. Dans un réacteur nucléaire, la réaction en chaine est contrôlée pour maintenir un rythme de fissions constant.

CLEFS CEA – NO 45 – AUTOMNE 2001 LES PHÉNOMÈNES NEUTRONIQUES Cette

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présentation est destinée à rappeler quelques éléments de base de la neutronique, indispensables pour comprendre les articles qui vont suivre et saisir le concept d’une sûreté intrinsèque des cœurs des réacteurs nucléaires. Après de apides généralités sur les réactions nucléaires sont décrits le mécanisme de la fission et le principe de la réaction en chaîne, introduisant ainsi la physique neutronique.

Ensuite, plusieurs aspects importants de cette branche de la physique sont abordés : les voies des réacteurs à neutrons rapides et à neutrons thermiques, la cinétique de la réaction en chaîne, la notion de section efficace, et notamment de résonance, puis, enfin, l’analyse des composante 24 réactions nucléaires qui libèrent de l’énergie Les réactions nucléaires (encadré A, Atomes, noyaux et réactions nucléaires) articulièrement recherchées sont celles libérant de l’énergie (exo-énergétiques).

En règle générale, ce sont les réactions conduisant à des noyaux de taille intermédiaire. En effet, ces derniers ni trop petits ni trop gros s’avèrent être les plus liés… et qui dit liaison implique libération d’énergie. Pour comprendre cela, il suffit de se souvenir qu’à Pinverse il faut, pour briser une liaison, « tirer dessus », c’est-à-dire apporter de l’énergie.

Ily a ainsi deux grandes classes de réactions envisageables : les réactions de fusion consistant à réunir deux petits noyaux our en fabriquer un plus gros comme, par exemple, les noyaux de deutérium et de tritium, isotopes de l’hydrogène 2 H (deutérium) +3 H (tritium) 4 He (hélium) + 1 n (neutron) 2 et les réactions de fission consistant casser un gros noyau pour en former deux plus petits. Dans les deux cas, outre les noyaux produits, un ou quelques neutrons sont également émis.

Comparées Atomes, noyaux et réactio l’atome est neutre et contient par conséquent autant d’électrons autour du noyau que de protons dans le noyau. Noté Z, ce nombre appelé numéro atomique caractérise l’élément chimique, puisque es propriétés chimiques des atomes ne dépendent que du nuage électronique. Aux Z protons du noyau s’ajoutent N neutrons, soit au total A Z + N nucléons. Ce nombre dit nombre de masse définit en gros la masse de l’atome.

Pour une valeur de Z donnée, donc pour un élément chimique donné, il arrive assez souvent que plusieurs valeurs de N, et par conséquent de A, existent : à chaque valeur de N correspond un isotope de l’élément chimique. Les isotopes d’un même élément sont indiscernables par la chimie mais possèdent des propriétés nucléaires différentes, parfois même très différentes. par xemple, l’uranium naturel est essentiellement composé de deux isotopes : % d’uranium 235 (92 protons et 143 neu2351_J trans) symbolisé par 235 920 ou plus simplement par 99,3 % d’uranium 238 (92 protons et 146 neutrons) symbolisé 2381′. ar 238 es éléments naturels s’échelonnent de Z = 1 (hydrogène) à Z – 92 (uranium). Aujourd’hui, cette table a été prolongée au-delà de 100 par des éléments transuraniens artificiels. Les isotopes des divers éléments peuvent être stables ou instables. Dans ce dernier cas, ils se désintègrent par radioactivité pour aboutir, en une ou plusieurs étapes, à un noyau stable(l). Il existe un certain nombre d’isotopes radioactifs naturels ; tous les isotopes artificiels sont radioactifs.

Il faut rappeler que la radioactivité artificielle est un phénomène de même nature que la radioacti- 4 24 phénomène de même nature que la radioacti- vité naturelle. La décroissance radioactive se caractérise par sa période (ou demi-vie) qui est le laps de temps nécessaire, en moyenne, pour que la moitié des noyaux instables considérés se soit désintégrée. Une « espèce nucléaire » définie par Z et A est aussi appelée nucléide. Le chimiste manipule des groupements d’atomes appelés olécules et est capable de les assembler de manière différente.

Par exemple, la combustion de l’hydrogène dans l’oxygène donnant de l’eau est la recombinaison des atomes de deux molécules d’hydrogène (chacune formée de deux atomes d’hydrogène) et d’une molécule d’oxygène (composée de deux atomes d’oxygène) pour produire deux molécules d’eau (chacune constituée de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène), ce qui s’écrit : 2 H2 (hydrogène) + 02 (oxygène) 2 H20 (eau). De façon similaire, le physicien nucléaire réalise des réactions nucléaires recombinant différemment les protons et les neutrons.

Dans ce cas, il ne s’intéresse pas trop à ce qui se passe pour les électrons, mais en fait les choses s’équilibrent aussi à ce niveau-là. Les réactions nucléaires s’écrivent, par exemple 4 9 12 2 He (hélium) + 4 Be (béryllium) O n (neutron) 6 C (carbone) +0 n (neutron) 105 B (bore) 73 Li (lithium) + 42 He (hélium) la première peut être utili urce de neutrons et dans ces réactions) sur une « cible » (le deuxième). Il est à noter qu’une réaction nucléaire met en jeu une quantité d’énergie environ un million de fois plus élevée qu’une réaction chimique. (1) À ce sujet, votr Clefs CEA NO 34 (hiver 1996-1997) p. . à des réactions chimiques, ces réactions fournissent, par unité de masse des éléments de la réaction, une quantité fantastique d’énergie. D’où l’intérêt que les ingénieurs militaires puis civils ont d’emblée manifesté pour ce type de réactions. La fission nucléaire Bien qu’exo-énergétique, la fission des noyaux lourds, tels ceux d’uranium, ne se fait presque jamais spontanément, tout simplement parce qu’avant la fission, le noyau, initialement peu près sphérique, doit être déformé jusqu’à ce qu’un étranglement se produise, permettant la séparation en deux fragments figure 1).

Cette déformation ne s’opère que si un peu d’énergie est communiquée au noyau. Comme dans une loterie, espérer gagner une grosse somme n’est possible que si quelques francs sont investis pour acheter un billet ! Dans la loterie en question, les coups sont pratiquement tous gagnants pour quelques nucléides : un naturel, l’uranium 235 (2350), et des artificiels, le plutonum 239 (239Pll), le 241 pu, le 233U… Dans les autres cas, en revanche, avec par exemple le 2380, le thorium 232 232Th)… les coups sont rarement e 6 4 répartition des nucléons disponibles peut se aire selon de très nombreuses façons. Pour connaître ces fragments et leurs rendements (probabilité d’obtention), des mesures doivent être effectuées. La figure 2 montre la diversité des fragments de fission pour le 2350 des réacteurs. Il faut remarquer d’une part, que la fission est le plus souvent légèrement dissymétrique (avec un fragment dans la tache du bas et un dans celle du haut) et d’autre part, que pratiquement tous les fragments de fission sont situés en dehors de la vallée de stabilité, donc radioactifs.

En moyenne, un fragment de fission subit quatre décroissances radioactives avant e se transformer en un nucléide stable. Les périodes de ces décroissances sont la plupart du temps courtes et n’excèdent pas, sauf exceptions, quelques annees. Ensuite, outre ces deux fragments, quelques neutrons secondaires, en moyenne 2,5 dans le cas du 235U, sont émis à l’état libre. Leur vitesse à l’émission est élevée, de l’ordre de 20 000 km/s. Enfin, l’énergie libérée par la fission est l’objectif recherché. Plus de 80 % correspondent à l’énergie cinétique des deux fragments.

Se repoussant violemment à cause de la répulsion électrique, ceux-ci sont éjectés à une vitesse de près e 10 000 km/s. Cependant, ils ne parcourent qu’environ un centième de millimètre car ils sont très fortement freinés par la matière. Cette énergie au cours des décroissances radioactives. Cette énergie apparaîtra également sous forme de chaleur. La fission induite Il est rare que la fission se produise spontanément. Pour la provoquer, il faut « taper » sur le noyau pour le faire osciller et se déformer suffisamment.

Le meilleur projectile est, pour deux raisons, le neu 7 Figure 1. Les étapes de déformation d’un noyau lourd amenant à la fission. ES BASES NEUTRONIQUES DE LA FISSION 100 90 ombre de neutrons Figure 2. Répartition des fragments de la fission de 2350 induite par neutron thermique dans un diagramme représentant le nombre de protons par rapport au nombre de neutrons. y désigne la probabilité d’obtention par fission (rendement) de chacun des nucléides ; pcm signifie pour cent mille. La courbe en tirets correspond à la vallée de stabilité, c’est-à-dire la lien « saisir ».

L’énergie fournie par ce travail s’ajoute à l’énergie cinétique apportée par le neutron et si la « pichenette » correspondante est suffisante, la fission pourra avoir lieu (encadré C, La désintégration des oyaux lourds et le cheminement des rayonnements). Pour les noyaux du type 2381J, il est nécessaire que le neutron soit très rapide et apporte un complément important en énergie cinétique pour que la fission se produise. Comme cette circonstance est très exceptionnelle, la fission est rarement observée dans ce cas. En revanche, pour les noyaux du genre 2350, l’énergie due à la liaison suffit à elle seule.

Un neutron même très lent peut provoquer la fission ; paradoxalement d’ailleurs, la fission est induite plus facilement par un neutron lent. Cest la raison pour laquelle les oyaux de ce type, généralement les noyaux lourds possédant un nombre impair de neutrons(l), ont été adoptés pour constituer le combustible des réacteurs. (1) Lorsqu’un neutron est absorbé, il s’apparie avec le neutron célibataire, ce qui conduit à une énergie d’excitation du noyau composé plus élevée et, par conséquent, à une fission probable.

Les différents types d’interaction entre un neutron et un noyau Parmi les interactions entr et un novaucible, il noyau sans réellement y pénétrer. La différence d’énergie est transformée en énergie de recul pour le noyau-cible. La réaction s’écrit (n,n). Par opposition, toute réaction au cours de laquelle le neutron est happé par le noyau qu’il a rencontré est qualifiée d’absorption. Le noyau composé ainsi formé est fortement excité car, outre Pénergie cinétique du neutron incident, il a également absorbé l’énergie de liaison (quelques millions d’électronvolts) provenant du travail des forces nucléaires pour le saisir.