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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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3. Cinétique des réacteurs
Nous avons vu au premier chapitre que la population des neutrons dans un système est multipliée d’un facteur k d’une génération à la suivante, ce qui laisse prévoir un comportement exponentiel en fonction du temps : population multipliée par k n après n générations. Nous nous proposons, dans ce paragraphe, d’examiner cette loi : il faut, d’une part, chiffrer la durée d’une génération et, d’autre part, préciser la loi mathématique d’évolution qui a évidemment un caractère continu en fonction du temps t.
3.1 Neutrons prompts et neutrons retardés
La plupart des neutrons émis par la fission s’« évaporent » des fragments de fission en un laps de temps extrêmement court, négligeable devant la durée qu’aura le cheminement du neutron après son émission et jusqu’à son absorption : entre 10−7 et 10−3 s selon les systèmes (l’étape la plus longue, si elle existe, est la diffusion à l’état thermique).
Cependant, quelques neutrons sont seulement émis quelques secondes après la fission, c’est-à-dire avec un retard beaucoup plus grand que la durée de vie du neutron une fois libéré. Le processus est le suivant : un fragment de fission se désintègre par radioactivité bêta moins en laissant le noyau résiduel dans un état excité ; si l’énergie d’excitation de ce dernier est suffisante, un neutron peut se séparer du noyau et être éjecté. Le retard temporel vient de la décroissance bêta ; la désexcitation qui suit est pratiquement instantanée. Ce type d’événement est rare car il est exceptionnel que l’énergie d’excitation du noyau issu de la décroissance bêta dépasse l’énergie de séparation d’un neutron, et même alors, la désexcitation se fait plus souvent par émission gamma. Cependant, une centaine de chaînes de ce type sont connues.
En pratique, on les rassemble généralement en six groupes seulement dont les caractéristiques (proportions et constantes de décroissance bêta) sont ajustées à partir des résultats de mesure. Le tableau 4 donne, à titre d’exemple, ces valeurs pour la fission d’uranium 235 induite par neutron thermique :...
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