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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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1. Introduction à la neutronique
1.1 Principe de la réaction en chaîne de fissions
La neutronique des réacteurs nucléaires s’intéresse à la réaction en chaîne de fissions et aux conditions de son équilibre. Rappelons que la libération d’énergie est basée sur une chaîne de réactions : neutrons donnent fissions, fissions donnent neutrons, neutrons donnent fissions, fissions donnent neutrons, et ainsi de suite.
L’expérience montre que lors d’une fission, outre les deux fragments, quelques neutrons sont émis à l’état libre (en moyenne entre 2 et 3, la valeur précise dépendant des noyaux fissionnés). Cela se comprend aisément si l’on se souvient que la proportion des neutrons dans les noyaux stables est d’autant plus grande que les noyaux sont lourds, et donc trop grande par rapport à la stabilité dans les deux fragments de fission. Malgré cette émission neutronique, les fragments ont encore, presque toujours, un excès de neutrons et se désintégreront donc par radioactivité bêta moins (transformation d’un neutron en proton au sein du noyau et éjection des deux autres particules formées, l’électron et l’antineutrino) ; en moyenne, quatre décroissances sont observées avant l’obtention d’un noyau stable.
L’énergie obtenue en moyenne pour une fission, de l’ordre de 200 MeV quel que soit le noyau lourd fissionné, se répartit approximativement de la façon suivante :
-
fragments de fission : 82 % ;
-
particules émises instantanément : 11 % ;
-
particules bêta et gamma des décroissances radioactives : 7 %.
Toute cette énergie se concrétise sous forme de chaleur. En ce qui concerne la radioactivité, cette chaleur peut être parfois libérée fort longtemps après la fission (les périodes de décroissances s’étagent entre une fraction de seconde et des millénaires).
Outre évidemment la libération d’énergie par les fissions induites, qui est l’objectif recherché, les neutrons vont être le moteur de la réaction en chaîne : en effet, un noyau lourd absorbant un neutron peut, si l’énergie alors acquise suffit, subir la fission… avec l’émission de nouveaux neutrons. Pour un réacteur dans ses conditions de fonctionnement nominal, on cherchera une réaction exactement équilibrée : chaque fission devra conduire,...
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