Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
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 Bases de neutronique- Physique et calcul des réacteurs 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 Physique des réacteurs- Les bases de la physique nucléaire « 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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Cinétique des réacteurs
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2. Équation de Boltzmann
2.1 Généralités sur la population des neutrons
La population des neutrons dans un réacteur nucléaire peut être, à la fois, qualifiée de nombreuse et de diluée. Par exemple, dans un réacteur à eau sous pression fonctionnant dans les conditions nominales, il y a, en permanence, de l’ordre de cent millions de neutrons par centimètre cube : cela est largement suffisant pour qu’une description statistique et non individuelle des particules soit faite ; cependant, ces neutrons sont approximativement 1014 fois moins nombreux que les noyaux (on en compte de l’ordre de 1022 par cm3 dans la matière usuelle), ce qui fait que les interactions neutrons-neutrons sont totalement négligeables devant les interactions neutrons-matière ; en conséquence, l’équation décrivant la densité de la population des neutrons sera linéaire. Cette équation est l’équation écrite par Boltzmann en 1879 dans le cadre de la théorie statistique des gaz et qui a pu être reprise pratiquement dans les mêmes termes pour décrire le « gaz » neutronique.
HAUT DE PAGE2.2 Généralités sur la migration des neutrons
Un neutron lâché dans la matière « ignore » totalement les électrons avec lesquels il ne pourrait interagir que par interaction faible ; mais il peut interagir avec les noyaux des atomes par interaction forte. On se souvient que la taille des noyaux est infime devant la taille des atomes, d’un facteur de l’ordre de 10−4 à 10−5 : c’est dire que les neutrons « voyagent » presque dans le vide. Leurs parcours jusqu’à une interaction n’est pas à l’échelle atomique mais à l’échelle macroscopique, de l’ordre du centimètre dans la plupart des matériaux.
Fondamentalement, on distingue deux grands types d’interactions entre un neutron et un noyau atomique : la diffusion et l’absorption. On parle de diffusion si le neutron incident – ou un autre – est réémis et d’absorption si le neutron incident s’intègre au noyau pour former un noyau composé.
La diffusion est le plus souvent élastique (conservation des vitesses dans le système du centre de masse) et parfois inélastique si l’énergie du...
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