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RÉSUMÉ
Cet article introduit les notions élémentaires de physique nucléaire directement utiles pour l'étude des réacteurs nucléaires. On y présente les principales définitions et concepts relatifs au noyau atomique et à sa structure ainsi que ses propriétés fondamentales, dont l'énergie de liaison. Les principaux phénomènes de radioactivité sont décrits en exposant leurs caractéristiques importantes. Les séries isobariques sont également abordées car leur existence se manifeste dans le coeur d'un réacteur nucléaire avec la formation des produits de fission. La notion d'équilibre radioactif est explicitée à travers la résolution du problème dit à deux corps.
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Cheikh M’Backé DIOP : Ingénieur-chercheur au Commissariat à l’Énergie Atomique - Chef du Laboratoire d’Études de Protection et de Probabilités, CEA/Saclay
INTRODUCTION
La physique des réacteurs nucléaires a pour but de quantifier, à l’aide de méthodes de physique-mathématiques et de logiciels de calcul (ou codes de calcul) – codes de neutronique et codes protection notamment – des grandeurs macroscopiques pertinentes permettant respectivement :
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de caractériser l’état neutronique du cœur d’un réacteur nucléaire ;
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d’évaluer l’effet des rayonnements sur la matière organique et la matière inerte (les matériaux) et de prendre les mesures appropriées éventuelles pour s’en protéger.
Lorsque l’on se place dans le domaine des réacteurs nucléaires, les neutrons et les gamma sont les deux principaux types de rayonnements à considérer sous les deux aspects : propagation et phénomènes radioactifs induits par interaction avec la matière. La gamme d’énergie s’étend typiquement de 0 à 20 MeV pour les neutrons, de 0 à 10 MeV pour les gamma.
En premier lieu, on replace la physique nucléaire dans le contexte de la physique des réacteurs nucléaires. On présente ensuite les principales définitions et les propriétés fondamentales relatives au noyau atomique. La dernière partie de ce dossier est consacrée à la stabilité du noyau atomique et aux phénomènes de radioactivité.
Ce document sera complété par les dossiers [Physique des réacteurs- Les réactions nucléaires] et [Physique des réacteurs- Traitement des données nucléaires] relatifs respectivement aux réactions nucléaires et au traitement des données nucléaires utilisées par les codes de calculs dédiés à la physique des réacteurs nucléaires.
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- Version courante de janv. 2016 par Cheikh M'Backé DIOP
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Noyau atomique. Définitions fondamentalesArticle inclus dans l'offre
"Génie nucléaire"
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1. Physique des réacteurs et physique nucléaire
Le champ des études de la physique des réacteurs nucléaires dépasse le strict cadre des réacteurs nucléaires à fission et de leur cycle du combustible (figure 1a ) ; on peut, en effet, y ajouter les domaines d’application suivants : les machines à fusion thermonucléaire (confinement magnétique et inertiel), les accélérateurs de particules, les systèmes nucléaires complexes comme les systèmes hybrides accélérateur/réacteur sous-critique, la médecine nucléaire, le spatial, les dispositifs industriels divers comme les irradiateurs d’aliments, etc. Cela explique que soient également évoquées les données relatives au transport des particules neutres et chargées dans le domaine des énergies dites « intermédiaires », situées entre 20 MeV et quelques GeV.
Quant à la gamme de temps à considérer, elle est très vaste puisqu’elle va de 10–23 seconde (temps caractéristique de réactions nucléaires) à plusieurs millions d’années (radioactivité de radio-isotopes) , figure 1b.
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Équations fondamentales et grandeurs physiques d’intérêt en physique des réacteurs et données nucléaires
Parmi les grandeurs physiques qui intéressent l’ingénieur, il en existe deux, fondamentales, car les autres en sont dérivées : le flux de particules et la concentration des nucléides.
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Le flux de particules
Il caractérise la propagation des particules dans le système physique étudié ; dans sa définition la plus exhaustive, le flux représente, à un instant considéré, le nombre des particules traversant, en un point de l’espace, l’unité de surface avec une énergie et une direction données, à un instant donné.
C’est l’équation de Boltzmann [Bases de neutronique- Migration des neutrons] (ou équation du transport) qui régit le flux de particules neutres (neutrons...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - Chart of the Nuclides - . Lockheed Martin, KAPL Inc., USA (2002).
-
(2) - EVANS (R.D.) - Le noyau atomique - . Paris, Dunod (1961).
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(3) - VALENTIN (L.) - Physique subatomique : noyaux et particules - . Paris, Hermann (1975).
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(4) - AUDI (G.), BERSILLON (O.), BLACHOT (J.), WAPSTRA (A.H.) - The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties - . Nuclear Physics A, vol. 729, p. 3-128 (2003). La base de données NUBASE2003 comporte les informations pour 1 377 isotopes : cf. Atomic Mass Data Center, http://csnwww.in2p3.fr/amdc/web/nubase_en.html ; voir aussi : ENSDF (Evaluated Nuclear Structure Data File ) data base contenant les informations sur la structure nucléaire et les modes de décroissance de 2 900 isotopes : http://www.nndc.bnl.gov (2005).
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(5) - AUDI (G.), WAPSTRA (A.H.) - Atomic mass Evaluation - . Nucl. Phys. A 595 409 (1995).
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