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RÉSUMÉ
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. Après avoir introduit les notions d’effet de température, cet article traite des effets des réactions neutroniques sur le fonctionnement des réacteurs, notamment l’empoisonnement par les produits de fission, puis l’évolution des noyaux lourds. Pour terminer, un aperçu sur les méthodes de calcul de la neutronique est apporté, dont le traitement de l’équation de Boltzmann.
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-
Paul REUSS : Professeur à l’Institut national des sciences et techniques nucléaires, commissariat à l’énergie atomique
INTRODUCTION
Ce document constitue la suite du dossier « Bases de neutronique. Migration des neutrons ».
Dans le dossier BN 3014, les aspects physiques du cheminement des neutrons dans la matière ont été présentés. Ce cheminement se fait selon les sept variables de l’équation de Boltzmann : les trois variables d’espace (diffusion), les trois composantes de la vitesse (ralentissement, thermalisation) et le temps (cinétique).
Dans le présent document, les effets des réactions neutroniques sur le fonctionnement des réacteurs seront examinés, et un éclairage sur les méthodes de calcul de la neutronique sera apporté.
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2. Empoisonnement par les produits de fission
2.1 Généralités sur les produits de fission
On appelle produits de fission l’ensemble des nucléides résultant des fissions, qu’ils en soient issu directement ou indirectement par décroissance radioactive et capture neutronique à partir des premiers. On a répertorié et caractérisé près de mille produits de fission.
Les concentrations dans un combustible irradié et leurs propriétés nucléaires (période radioactive, sections efficaces de capture) sont extrêmement variables.
La fission est généralement dissymétrique : les produits les plus abondants sont ceux de masses 90 à 100 environ, d’une part, et 135 à 145 environ, d’autre part. Du fait que la proportion des neutrons est plus forte dans les noyaux lourds stables que dans les noyaux intermédiaires stables, presque tous les produits de fission sont radioactifs bêta moins, cela malgré l’émission neutronique qui accompagne la fission (en moyenne, chaque fragment de fission subit quatre décroissances avant de donner un noyau stable). Hormis quelques exceptions, ces périodes radioactives sont courtes (de l’ordre de la seconde) ou relativement courtes (moins de trente ans).
HAUT DE PAGE2.2 Notion d’empoisonnement
En ce qui concerne la neutronique, l’effet principal est la perte de réactivité due aux captures par ces produits : au signe près et au premier ordre, c’est l’empoisonnement défini par :
où les sections macroscopiques d’absorption des produits de fission et du combustible sont des moyennes en énergie sur l’espace du combustible.
Pour certains produits, l’empoisonnement atteint rapidement une valeur asymptotique (par exemple, 3 000 pcm environ pour le xénon 135 dans les réacteurs à eau). Pour d’autres, l’accroissement est plus progressif. En fin d’irradiation, l’empoisonnement de l’ensemble des produits de fission atteint une quinzaine de milliers de pcm dans ces réacteurs. Il s’agit donc d’un effet considérable.
La vingtaine de produits les plus absorbants contribue pour 90 % à la capture totale des produits de fission....
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