Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Cet article est consacré à la branche de la physique, nommée la neutronique, qui étudie le cheminement des neutrons dans un système, ainsi que les réactions nucléaires qu’ils induisent. Il en fait une introduction complète présentant les notions essentielles de cette science. Il livre les bases des méthodes de calcul (notamment équation de Bolztmann, loi de Fick, spectre de Maxwell…) et des phénomènes en jeu (absorption résonnante, thermalisation des neutrons…) nécessaires à la compréhension de la neutronique.
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Paul REUSS : Professeur à l’Institut national des sciences et techniques nucléaires, Commissariat à l’énergie atomique
INTRODUCTION
La neutronique est la branche de la physique qui traite du cheminement des neutrons dans un système et des réactions nucléaires induites par ces neutrons, en particulier les réactions de fission à l’origine du dégagement d’énergie. Par ses attaches avec la physique nucléaire, c’est une science du microscopique ; mais le traitement statistique de la population des neutrons s’apparente à la théorie cinétique des gaz et se rattache donc aussi au macroscopique.
La neutronique est née avec la mise en évidence du neutron à l’état libre par James Chadwick en 1932. Dans les années qui ont suivi, les aspects physiques essentiels ont été dégagés, notamment par Enrico Fermi alors réfugié aux États-Unis. La France a également joué un rôle crucial dans cette affaire, d’abord pendant les années 1930 avec les travaux de Frédéric Joliot-Curie et ses collaborateurs, puis après la création, en 1945, du Commissariat à l’énergie atomique à la tête duquel on retrouve le même Frédéric Joliot. Si la première réaction en chaîne n’eut pas lieu en France comme on aurait pu s’y attendre si la Guerre n’avait pas alors éclaté, mais aux États-Unis (expérience CP1 de Fermi du 2 décembre 1942), les pionniers du CEA furent fort actifs : dès le 15 décembre 1948 divergeait Zoé à Fontenay-aux-Roses. L’« École française de neutronique », initiée par Joliot et ses collaborateurs, est restée jusqu’à aujourd’hui extrêmement active. Faute de pouvoir citer tous ceux qui y ont contribué, on peut retenir le nom de Jules Horowitz.
Il est hors de question dans ces quelques pages de traiter l’ensemble de la neutronique et ses développements depuis quelque 70 ans. Ce dossier et le suivant se proposent d’apporter seulement les bases de neutronique nécessaires à la compréhension des autres dossiers des « Techniques de l’Ingénieur » consacrés au Génie nucléaire, en particulier ceux qui sont dédiés aux réacteurs nucléaires des différentes filières, et de donner quelques aperçus sur les méthodes de calcul de la neutronique, et sur leur qualification, qui ont fait l’objet de très nombreux travaux. Aujourd’hui encore, ce sont sur ces thèmes que se centre la majeure partie des efforts de recherche et développement en matière de neutronique.
Ce dossier s’appuie sur les notions présentées dans le dossier « Bases de physique nucléaire nécessaires à la neutronique » qu’il est donc vivement recommandé de lire au préalable.
Dans un document destiné aux ingénieurs, il nous a semblé utile d’introduire des exemples numériques pour illustrer les notions physiques : dans un souci de simplification et sauf indication contraire, nous nous sommes délibérément limités au cas des réacteurs à eau sous pression (voir le dossier « Réacteurs nucléaires – généralités » et les dossiers consacrés aux réacteurs à eau).
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Thermalisation des neutrons
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7. Absorption résonnante des neutrons
L’extrême complexité des courbes de sections efficaces des noyaux lourds, notamment l’uranium 238, dans le domaine du ralentissement des neutrons rend le problème du calcul de l’absorption résonnante des neutrons particulièrement ardu.
Nous nous limiterons ici aux aspects qualitatifs essentiels et indiquerons au paragraphe 5 du dossier les principes généraux de ces calculs.
7.1 Intérêt du caractère discontinu du ralentissement (autoprotection en énergie)
Quand on remarque les valeurs gigantesques que peuvent atteindre les sections efficaces au voisinage des pics des résonances, on peut craindre que les neutrons soient absorbés bien avant avoir pu se ralentir ; comme ces absorptions sont pour l’essentiel des captures sans fission par l’uranium 238, cette crainte semble mettre en péril le concept même de réacteur à neutrons thermiques.
En réalité, cette crainte n’est pas réellement fondée du fait que les résonances sont très élevées, certes, mais également étroites. Les neutrons se ralentissent de façon discontinue par diffusions en « sautant » d’une énergie à la suivante sans passer par les énergies intermédiaires : très souvent, ils évitent ainsi les « trappes » – les étroits domaines d’énergie où la section efficace est grande et où ils risqueraient d’être absorbés –, sans « soupçonner » le danger auquel ils ont échappé.
HAUT DE PAGE7.2 Intérêt d’une disposition hétérogène (autoprotection en espace)
La structure hétérogène adoptée pour des raisons technologiques dans les réacteurs a aussi un intérêt neutronique. Pendant leur ralentissement, les neutrons voyagent souvent dans le modérateur qui, en pratique, représente un volume plus important que celui du combustible ; tant qu’ils sont dans cette zone, ils ne risquent évidemment pas d’être capturés quelle que soit leur...
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