Théorie des réacteurs nucléaires

La théorie des réacteurs nucléaires n’est pas aussi compliquée qu’on pourrait le craindre avant de l’aborder ; la raison essentielle de la relative simplicité tient à l’ aspect linéaire des phénomènes principaux ; en effet, les taux de réaction entre neutrons et matière du cœur du réacteur sont directement proportionnels au nombre de neutrons présents, et les propriétés du cœur caractérisées par des rapports de taux de réaction sont invariantes lorsque la population de neutrons s’accroît ou se réduit. La seconde raison de cette simplicité réside dans la quasi-séparabilité des variables d’espace et d’énergie : les neutrons apparaissent par fission à des énergies élevées, de l’ordre du MeV et sont ralentis au cours des collisions successives jusqu’à l’énergie d’agitation thermique, de l’ordre d’une fraction d’eV ; les variations rapides de la population neutronique en fonction de l’énergie sont à courte portée, les variations à grande portée sont, en revanche, pratiquement uniformes en fonction de l’énergie. Cela permet d’étudier séparément les effets locaux au voisinage d’un crayon combustible, au sein d’un assemblage combustible, et les effets globaux sur l’ensemble du cœur.

La dernière raison de la simplicité tient au fait que les problèmes de variation rapide dans le temps, problèmes de cinétique des réacteurs, ne nécessitent pratiquement jamais de couplage des variables d’espace avec la variable temps ; on n’en parlera donc pas dans cet article ; quant aux évolutions dans le temps dues aux variations des propriétés du coeur sous l’effet de l’irradiation, elles sont suffisamment lentes pour que le coeur soit considéré à tout instant en état stationnaire.

Les principes de fonctionnement d’un réacteur reposent sur la possibilité d’entretenir une réaction de fission en chaîne ; en effet, chaque fission donne naissance à plusieurs neutrons, 2,5 à 3 selon le noyau qui a réagi. Pour entretenir la réaction en chaîne, un neutron suffit pour provoquer la fission suivante : il y a donc, selon les cas, 1,5 à 2 neutrons excédentaires qui vont être perdus par fuite hors du milieu concerné, ou par capture par un noyau absorbant.

On notera tout de suite l’éventuelle possibilité d’utiliser ces captures pour transmuter des noyaux : une capture sur 238U conduit au 239Pu, isotope fissile ; voie de régénération du combustible, elle sera, le moment venu, utilisée dans les réacteurs à neutrons rapides ; une capture sur 237Np conduit à 238Np, corps radioactif à vie courte et dont les descendants radioactifs sont à vie courte également : voie de transmutation des actinides, elle est explorée...