Du noyau atomique au réacteur nucléaire
La saga de la neutronique française

Sommaire et contenu du livre "Du noyau atomique au réacteur nucléaire - La saga de la neutronique française"

Avant-propos............................................................................................ 1 œŒiDIJ Les bases physiques de la neutronique 3 Une approche intuitive de la neutronique. Quelques ordres de grandeur concernant les réacteurs électronucléaires et la population de neutrons qui asmrent la réaction en chaîne de fissions. Comment traiter cette populatron neutronique? Lëquation de Boltzmann. Résoudre cette équation est difficile du ftit de la complexité à la fois des probabilités d'interaction neutron-matière et des géométries adoptées dans les réacteurs. Chapi~ 2 • La découverre du neutron nécessitera vingr ans d'ef[ons ......... 13 À l'origine, la neutronique ne ftt qu une branche de la physique nucléaire qui elle-même ne ftt qu une branche de la physique atomique : ainsi cette saga se doit de commencer en évoquant Démocrite et les controverses, durant deux millénaires, autour de la théorie atomique. La découverte de la radioactivité par Becquerel (1896) est l'acte de naissance de la physique nucléaire. Mais il sera difficile ensuite de départager les deux hypothèses possibles sur la structure des noyaux. La découverte du neutron par Chadwick (1932) marquera la véritable naissance de la neutronique. Dès la découverte du neutron, les physiciens, notamment Fermi à Rome, s'intéressèrent aux interactions entre cette particule et la matière. Ils découvrirent rapidement que l'absorption neutroniquepar lesnoyauxseJàitaisément,etd'autantmieux quelavitesseduneutronestJàible. lis découmirent aussi qu'il est Jàcile de ralentir lin neutron en le laissant diffuser dans un matériau peu absorbant et constitué de noyaux legers. L'énigme de l'absorption neutronique par l'uranium... et sa solution, la fission. L'énergie de liaison des noyaux, variable selon !eur masse, explique la libération d'énergie par la fission ... et indique une autre voie, celle de la Jùsion. Cette dernière semble difficile. Mais l'émission de neutrons secondaires lors de la fission suggère l'idée d'une réaction en chaîne. Les neutrons secondaires et le principe de la réaction en chaîne. Les brevets de foliot et ses collaborateurs. La découverte des neutrons retardés .. les réactettrs seront des machinesfaciles àpiloter. • CPl, la première pile atomique '------' Le réglage de la réactivité. Les deux voies possibles pour une réaction en chaîne. Le choix d'un modérateur. La ftrmule des quatreJàcteurs. L'équation de la diffusion. L'approche sous-critique et la divergence, le 2 décembre 1942, de la première pile de Chicago. Les premiers réacteurs de grande puissance, producteurs de plutonium. La décOlwene de l'effet xénon. Les produits de fission. Le samarium 149. Dèslafindelaguerre, lesgrandespuissancess'intéressèrentàl'utilisationdel'énergienucléairepourla productiond'électricité. Maisquellefilièrechoisir?Lagénération'zéro'montre quelqueshésitations. C'est aussi à cette époque que paraissent les premiers ouvrages de neutronique. La création du Commissariat à l'énergie atomique. La pile Zoé. Les réacteurs expérimentaux. Les premiers pas de la neutronique française. Cellules et réseaux, la structure caractéristique des cl1!1m de réacteurs. Le mode ftndamental. Les premiers enseignements de netttronique en France. Chapitre 11 • Du calcul de réseau au calcul de cœur 93 Éléments de la théorie des Jàctettrs p, f et T]. Les calculs de cœur. Les principaux effèts de température. Les piles Marius et César. • L'évolution des noyaux lourds et la problématique du plutonium 103 Les propriétés du milieu multiplicateur de neutrons constituant le Cl1!1tr d'un réacteur évoluent au cours du temps, en paniculier avec l'apparition du plutonium. Pour conserver une réactivité suffisante, on ne peut pas épuiser totalement les matières fissiles des combustibles nucléaires. La question se pose donc de retraiter le combustible irradié pour y récupèrer ces matières, et plus spécialement le plutonium. La perspective séduisante de la surgénération. III Les réacteurs de la filière uranium naturel -graphite -gaz. Une neutronique ambitieuse mais une capacité des ordinateurs encore limitée nécessiteront une grande ingéniosité dans les modèles de caku!. Interlude 121 réacteurs d'Oldo 123 On découvrit en 1972 que IHomme n'avait pas inventé le réacteur nucléaire: la Nature l'avait fait deux milliards d'années avant lui 1 ~L'ère industrielle de la neutronique 127 129 Comme dans toutes les sciences physiques, les théories de la neutronique doivent en permanence être confrontées et validées par des résultats expérimentaux. La particularité de la neutronique est qu outre les modèles mathématiques, elle fait appel à de très nombreuses données nucléaires issues pour l'essentiel de mesures. On sera ainsi amené à distinguer les' mesures differentielles ' concernant les données nucléaires et les « mesures intégrales' concernant des grandeurs neutroniques (taux de réaction,facteurdemultiplication...)qui, enpratique, s'expriment avecdesintégralesportantsurdes données nucléaires. réacteurs..................................... 137 On a pu assister àfin des années 1960, en France, àune' gue17'e ' entre la filière française uranium naturel-graphite -gaz et la filière américaine des réacteurs àeau: c'estfinalement cette dernière qui l'emportera. Cela entraînera des réorientations des spécialistes et des codes de caku!. En parallèle, l'intérêt pour les réacteurs à neutrons rapides se maintient. 143 Impulsée parle lancement de la deuxième génération de réacteurs et accompagnée des développements de l'infOrmatique et de l'analyse numérique, la neutronique va voir de profOnds changements dans sa façon d'aborder les problèmes et dans sa pratique quotidienne. Les premiers ouvrages de réflrence en français sur la neutronique. réacteurs ......... 153 Pendant la vingtaine d'années de mise en place, en France, du parc de réacteurs à eau sous pression, puis le début du XX! siècle, les neutroniciens durent faire face à de nouveaux défis lancés par les concepteurs et ingénieurs du parc : allongement des durées d'irradiation, utilisation de poisons consommables, introduction du « nwx ' (combustible à plutonium}... La troisième génération de réacteurs se prépare. ~ii~!1~9] .... et la troisième génération de codes de neutronique .......... 161 Les nouveaux défis lancés par les ingénieurs aux neutroniciens obligèrent ces derniers àperfèctionner /eurs codes de calcu!. Cependant une dynamique propre entraînée par les progrès de l'infOrmatique et de l'analyse ',mtérique s'est poursuivie. Validation et qualification. réacteurs et les sUivantes Si l'on a pli parler, au début de notre siècle, de ' renaissance du nucléaire ' avec le Forum internationalgénération 4 et un intérêt renouvelé de nombreux pays pour cette énergie. l'accident de Fukushima a marqué un coup d'arrêt. Il est trop tôt à l'heure où sont écrites ces ligrles pour dire si l'élan est définitivememt brisé. Il est clair en tout cas que l'enthousiasme des nelltroniciens ne l'est pas comme peuvent en témoigner les travaux sur les six concepts retenus par le Forum et le projet Astrid. la spallation avec notamment le projet Myrrha et la pion aVec la machine 1ter. -.............__... • Les études de protection contre les rayonnements et le risque de criticité 179 Le risque principal et spécifique du nucléaire est celui de l'exposition aux rayonnements émis par les produits radioactifi. C'est la raison pour laquelle iljàut que les ingénieurs soient capables de calculer correctement la propagation des rayonnements et de concevoir les écrans susceptibles de les arrêter. Ils doivent par ailleur> s'appliquer à prévoir les accidents susceptibles de se produire dans une installation nucléaire -réacteur ou autre -et risquant de laisser s'échapper des produits radioactifi. Ces problèmes interpellent aussi la neutronique et les sciences connexes. f:!~~!!:~22~ • Les neutrons comme outils d'exploration.............................. 189 En termes d'investissement industriel c'est dans la physique des réacteurs que la neutronique a trouvé Son application principale et c'est celle qui a essentiellement été déve''ppée dans les chapitres précédents. Elle ne !kit toutefàis pas jàire oublier les applications dans la recherche et le contrôle de composants, où les jàisceatlX de neutrons constituent un outil absolument irremplaçable d'exp''ration de la matière. Ce chapitre donnera un aperçu des nombreuses techniques qui ont été déve''ppées. 199 La neutronique des armes est, pour des raisons évidentes, peu divulguée. Ce chapitre se limitera !knc à quelques généralités sur ses spécificités: une équation de Boltzmann évolutive, un fOrt jàcteur de multiplication. une cinétique très rapide. un démarrage aléatoire de la réaction en chaîne nécessitant un réglage précis de l'instant dïnjection des neutrons. Variantes pour l'obtention d,me situation surcritique. • Les perspectives de la neutronique 207 '----'--_.... La neutronique atkptera+elle le système international d'unité et corrigera-t-elle son jargon? Il sera difficile de revenir sur ces habiwdes. Verra-t-on disparaître le caleuL déterministe? L'auteur ne le pense pas... et ne le souhaite pas. Mais il est clair que le calcuL' HPC ' prendra de plus en pLus d'importance en neutronique... IL jàut toutefàis rester conscient du danger que cela présente et ne jamais perdre de vue la physique. Annexes 215 Bibliographie 217 Index des personnes citées 223 Index des réalisations. 233 Index des thèmes et notions physiques 241