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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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Introduction à la neutronique
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8. Thermalisation des neutrons
Dans le domaine du ralentissement, deux approximations peuvent être faites dans le traitement des diffusions des neutrons par la matière :
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les noyaux-cibles peuvent être considérés comme immobiles avant l’interaction (leur énergie cinétique due à l’agitation thermique est faible devant l’énergie cinétique du neutron) ;
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les neutrons interagissent avec les noyaux comme s’ils étaient parfaitement isolés (en réalité, ces noyaux sont au centre d’atomes liés dans des systèmes moléculaires ou cristallins).
On parle de thermalisation lorsque ces deux approximations ne sont plus licites : comme l’agitation thermique correspond à une énergie d’une fraction d’électron-volt et comme les énergies de liaisons chimiques sont aussi de cet ordre de grandeur, on peut situer le domaine de la thermalisation comme celui des énergies de neutrons inférieures à quelques électronvolts.
8.1 Notions sur les mécanismes de thermalisation
Alors que le ralentissement des neutrons peut être traité par les équations de la mécanique classique, la thermalisation met en œuvre des processus complexes que seule la physique quantique peut prendre en compte ; on en trouvera un aperçu dans le dossier Utilisation des neutrons en physique, chimie et biologie. L’aspect fondamental est évidemment que les échanges d’énergie entre le neutron et la matière peuvent être dans les deux sens : ralentissement ou accélération du neutron (à l’équilibre, les deux processus interviennent à parts égales). La diffusion des neutrons peut être élastique ou inélastique : dans ce dernier cas, il y a échange, en plus ou en moins, entre l’énergie cinétique du neutron et l’énergie d’agitation interne d’une molécule ou d’un cristal (phonons). Par ailleurs, non seulement l’aspect corpusculaire du neutron, mais aussi son aspect ondulatoire peut jouer un rôle car la longueur d’onde est alors à l’échelle atomique ou moléculaire : la diffusion est en partie « cohérente ».
La modélisation et les calculs sont donc...
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