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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Absorption résonnante des neutrons
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6. Ralentissement des neutrons
6.1 Les différents mécanismes de ralentissement
Ce sont les diffusions qui ralentissent les neutrons. On distingue les diffusions élastiques et inélastiques.
On appelle « élastique » un processus dans lequel l’énergie cinétique est conservée. Par choc élastique, un neutron est néanmoins ralenti (sauf éventuellement dans le domaine thermique) car le noyau cible, pratiquement immobile initialement, encaisse un certain recul au cours du choc ; nous verrons que le ralentissement élastique est surtout efficace si les collisions ont lieu sur les noyaux légers.
On appelle « inélastique » un processus dans lequel l’énergie cinétique n’est pas conservée. Pour des neutrons incidents suffisamment énergétiques, le noyau résiduel, après réémission d’un neutron, peut rester sur un niveau excité (il se désexcitera ensuite par émission gamma). Comme cette énergie d’excitation aura été prélevée sur l’énergie cinétique, le neutron est forcément passablement ralenti au cours d’une telle diffusion. Mais ces diffusions inélastiques sont relativement rares, puisque la réaction présente un seuil, l’énergie du premier niveau du noyau cible ; elles sont surtout observées sur les noyaux lourds, notamment l’uranium 238, pour lesquels le seuil est moins élevé.
Dans les réacteurs à neutrons rapides, ce dernier processus est prépondérant ; il conduit à une certaine dégradation du spectre par rapport au spectre de fission.
Dans les réacteurs à neutrons thermiques, ce sont les diffusions élastiques sur le matériau placé pour cela, le modérateur, qui jouent le rôle prépondérant. Dans la suite de ce dossier, nous ne détaillerons que cet aspect.
HAUT DE PAGE6.2 Lois du choc élastique
En explicitant la conservation de l’impulsion et de l’énergie cinétique, on établit les relations suivantes :
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