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RÉSUMÉ
Première partie d’un ensemble de deux articles exposant le processus d’évaluation des données nucléaires, cet ensemble présente l’état actuel de la connaissance théorique des phénomènes de physique nucléaire mis en jeu. Lors de l’évaluation, la connaissance théorique et expérimentale est condensée et synthétisée dans des fichiers informatiques utilisés par les codes de simulation. Après un survol du contenu des fichiers évalués, nous décrivons les différentes méthodes utilisées pour l’évaluation des données nucléaires. Nous exposons particulièrement leur modélisation. Des exemples tirés de la pratique quotidienne de l’évaluation sont présentés.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Eric BAUGE : Ingénieur-chercheur - Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives, Bruyères-le-Châtel, France
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Cyrille de SAINT JEAN : Ingénieur-chercheur - Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives, Gif-sur-Yvette, France
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Stéphane HILAIRE : Ingénieur-chercheur - Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives, Bruyères-le-Châtel, France
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Anne NICOLAS : Ingénieur-chercheur - Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives, Saclay, France
INTRODUCTION
Dans les années 1920-1940, le foisonnement théorique et expérimental de la physique nucléaire, discipline alors en plein essor, a également dû répondre au besoin de maîtrise de l’énergie atomique. En effet, quantifier et maîtriser la réaction en chaîne dans un système nucléaire nécessite la résolution d’équations décrivant le comportement du flux de neutrons et l’évolution des concentrations des différents noyaux ; équations dont les coefficients sont des constantes appelées « données nucléaires ». Cette thématique est donc primordiale depuis fort longtemps. Cet objectif correspond à ce qu’Emilio Segrè appelait avoir de « bons nombres » : “In an enterprise such as the building of the atomic bomb the difference between ideas, hopes, suggestions and theoretical calculations, and solid numbers based on measurement, is paramount.” Ce concept était déjà associé à cette époque à la nécessité de développer des approches théoriques (modèles de réactions nucléaires, fission), d’initier la mesure d’observables physiques fondamentales par le biais d’expériences microscopiques, et, très rapidement, de mettre en place des expériences dites « intégrales » (par exemple mesure de masse critique, etc.). Ces trois piliers caractérisent encore aujourd’hui l’activité d’évaluation des données nucléaires.
Les données nucléaires continuent à jouer un rôle essentiel, au même titre que les méthodes numériques et les algorithmes associés, dans les calculs de conception et d’analyse de toutes les applications de l’énergie nucléaire, de la radioprotection à la criticité. En raison de la réduction des biais de calcul due aux progrès des sciences du numérique (mathématiques appliquées, génie logiciel, informatique…), la dépendance des résultats à la qualité des données nucléaires devient prépondérante.
Cet article est consacré au processus d’évaluation de ces données, en insistant sur les phénomènes physiques de base, dont certains éléments de modélisation sont encore perfectibles. L’objectif de ce processus est l’obtention de grandeurs utilisables par les codes de calcul de neutronique, qui permettent la conception et l’analyse des systèmes nucléaires, en particulier les réacteurs. L’évaluation combine modèles de physique, techniques mathématiques et informatiques, expériences destinées à l’obtention de grandeurs et à la validation de l’ensemble à divers niveaux. Les sections efficaces à petit nombre de groupes ont été utilisées très tôt, pour des applications militaires et exploratoires, avec des outils de calcul sommaires. Depuis les premières bibliothèques de sections efficaces destinées aux codes de calcul des années 1960-1970, le processus a considérablement évolué vers l’emploi de modèles de plus en plus fins, de plus en plus prédictifs, mais la complexité globale est telle qu’il est encore illusoire de remplacer l’ensemble par des calculs depuis les premiers principes. L’objectif de ce qui suit est d’expliciter la démarche et de donner des pistes de réflexion pour améliorer l’ensemble vers toujours plus de précision et de pouvoir prédictif.
La bonne compréhension de cet article nécessite la lecture préalable de l’article qui donne les éléments de physique nucléaire de base et les ordres de grandeur utiles [BN 3 010]. L’article concernant les réactions nucléaires donne également nombre d’informations utiles [BN 3 011].
De façon complémentaire à ces deux articles, « opérationnels » et directement utilisables par un physicien des réacteurs, celui-ci vise à soulever le voile sur le processus d’élaboration des données nucléaires, en amont de leur traitement pour une utilisation dans les codes de calcul de physique appliquée.
Cet article pose également les bases utiles à l’évaluation des incertitudes, qui constitue dès aujourd’hui et de façon croissante la pierre de touche de tout dimensionnement.
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Les évaluations : pourquoi, pour qui ?
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8. Conclusion
Le panorama présenté dans cet article montre combien l’évaluation des données nucléaires est un processus complexe, intégrant à la fois des aspects théoriques très divers et des aspects expérimentaux. Ces derniers sont utilisés à la fois pour fournir des données d’entrée aux différents modèles et pour les valider ; cette démarche a été adoptée pour construire les bibliothèques d’aujourd’hui (par exemple JEFF3.3 et ENDF/B-VIII). Elles montrent des progrès significatifs comparativement aux bibliothèques des générations précédentes.
Cette discipline, à la frontière entre physique nucléaire et applications, se doit de respecter les spécificités des deux : s’appuyer sur les meilleures connaissances scientifiques et permettre une simulation numérique de qualité des installations nucléaires.
Comme on l’a vu, l’emploi de différents modèles plus ou moins imbriqués permet une représentation de plus en plus fiable et prédictive du comportement des noyaux. Il reste néanmoins un travail considérable à accomplir afin de s’affranchir des paramètres ajustés de façon ad hoc, au profit de calculs tendant de plus en plus vers l’ab initio et les premiers principes. Des travaux récents montrent que cet objectif, même s’il est très éloigné, n’est pas hors d’atteinte.
Remerciements
Nous tenons à remercier les personnes suivantes pour leur participation à l’élaboration de ce document :
Pascal Archier, Olivier Bersillon, Olivier Bouland, Jean-Paul Delaroche, Pierre Dos-Santos Uzzaralde, Helder Duarte, Emmeric Dupont, Marc Dupuis, Michel Girod, Héloïse Goutte, Toshihiko Kawano, Arjan J. Koning, Colette Le Luel, Maria Lopez-Jimenez, Benjamin Morillon, Gilles Noguère, Pascal Romain, Jean-Christophe Sublet, Patrick Talou, Pierre Tamagno.
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - ENDF-6 - Format Manual, data format and procedures for the evaluated data files, - rapport BNL-90365-2009 Rev. 1, Brookhaven National Laboratory, USA (2010).
-
(2) - International handbook of evaluated criticality safety benchmark experiments, - NEA/NSCDOC(95)03, Nuclear Energy Agency Paris (2018).
-
(3) - WIGNER (E.P.), EISENBUD (L.) - Higher Angular Momenta and Long Range Interaction in Resonance Reactions, - Phys. Rev. 72, 29-41 (1947).
-
(4) - HUMBLET (J.), ROSENFELD (L.) - Theory of nuclear reactions: I. Resonant states and collision matrix, - Nucl. Phys. 26, 529-578 (1961).
-
(5) - LANE (A.M.), THOMAS (R.G.) - R-Matrix Theory of Nuclear Reactions, - Rev. Mod. Phys. 30, 257-353 (1958).
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(6) - REICH (C.W.), MOORE (M.S.) - - Phys....
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