De la fission aux nouvelles filiÃ¨res - Cenbg - IN2P3

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produire de l’énergie, alors que jusqu’à maintenant on n’utilisait que l’isotope fissile de l’uranium ( 235 U : 0,7% de l’uranium naturel). La régénération permet donc d’extraire d’une masse donnée d’uranium naturel, 200 fois plus d’énergie que les filières actuelles. Les réserves prouvées d’uranium (et aussi de thorium) permettant alors d’envisager une production d’énergie nucléaire massive et durable sur plusieurs dizaines de milliers d’années. Mais comme on va le voir la régénération n’est pas toujours possible, d’ailleurs, les réacteurs actuels sont incapables de régénérer leur matière fissile. 4.2 Les neutrons disponibles Pour régénérer la matière fissile par capture d’un neutron sur la matière fertile, il faut disposer de suffisamment de neutrons. Jusqu’à présent, les neutrons ne servaient qu’à induire une fission, qui créait à sont tour des neutrons, et la réaction en chaîne pouvait se maintenir d’ellemême. Chaque fission émet environ 3 neutrons, et sur ces 3 neutrons, il suffisait qu’un seul induise une fission pour maintenir la réaction en chaîne, les 2 autres pouvant être perdus. Afin de régénérer la matière fissile, il faut maintenant que les 2 autres neutrons fassent des choses particulières. Considérons un réacteur composé d’un combustible 238 U/ 239 Pu et raisonnons pour une fission induite dans le cœur du réacteur. Le nombre de neutrons produits est noté ν. On calcule maintenant le nombre de neutrons consommés pour à la fois maintenir la réaction en chaîne et régénérer la matière fissile. - tout d’abord le maintien de la réaction en chaîne impose qu’une fission induise une autre fission. Comme on raisonne pour une fission, le nombre de neutron consommé pour maintenir la réaction en chaîne est 1. - pour calculer le nombre de neutrons consommés pour régénérer la matière fissile, il nous faut d’abord calculer le nombre de noyaux fissiles perdus. Ce nombre ne vaut pas 1, car le noyau fissile ne fait pas que fissionner. Il peut en effet capturer le neutron. Comme on raisonne pour une fission du 239 Pu, le nombre de neutron capturé par capture sur le 239 Pu est le fissile σ cap rapport des probabilités de fission et de capture de ce noyau, soit , rapport que l’on fissile σ fis notera α. Pour une fission, on perd donc un peu plus que 1 noyau fissile, on en perd 1+α. Le terme α dépend bien entendu du noyau fissile considéré ( 239 Pu ou 233 U), et aussi du spectre neutronique, puisque les sections efficaces sont des sections efficaces moyennées sur un spectre de neutrons. Comme on perd 1+α noyaux fissiles, il faut les régénérer, ce qui demande à consommer de nouveau 1+α neutrons sur la matière fertile, afin de maintenir le nombre de noyaux fissiles constant. Récapitulons : - production de neutrons : ν - consommation de neutrons : 1 : un neutron induit une fission du 239 Pu pour maintenir la réaction en chaîne. α : nombre de neutrons capturés sur le 239 Pu sans induire de fission 352
(1+α) : nombre de neutrons capturés sur la matière fertile pour régénérer les 1+α noyaux fissiles disparus Au total, on consomme donc 2(1+α) neutrons. On distingue donc trois cas : ν < 2(1+α) : le système est sous générateur, c'est-à-dire que la fission ne produit pas assez de neutrons pour à la fois maintenir la réaction en chaîne et régénérer la matière fissile ν = 2(1+α) : le système est iso-générateur : on a juste assez de neutrons pour régénérer la matière fissile et maintenir la réaction en chaîne ν > 2(1+α) : le système est surgénérateur, il a des neutrons disponibles après avoir maintenu la réaction en chaîne et régénéré la matière fissile. Ces neutrons disponibles peuvent être utilisés pour différentes choses, notamment pour produire plus de matière fissile que ce qui est consommée, afin de déployer une filière de réacteur. Il s’agit ici d’un calcul simplifié, mais, les valeurs données par le terme ν - 2(1+α) permettent de déterminer si un système peut être régénérateur ou non. Dans la pratique, on a toujours des pertes de neutrons (fuites ou captures parasites sur les matériaux de structure), ainsi pour qu’un système puisse être régénérateur, il faut absolument que ce coefficient ν - 2(1+α) soit largement positif. On appelle souvent ce terme le nombre de neutrons disponibles, puisque ce sont des neutrons disponibles pour faire autre chose que le maintien de la réaction en chaîne et la régénération de la matière fissile. On note donc : N d = ν - 2 (1+α) Ce terme ne dépend que des propriétés de la matière fissile, c'est-à-dire 239 Pu ou 233 U, et ne dépend pas des propriétés de la matière fertile. On peut tracer ce terme en fonction de l’énergie du neutron incident, à partir des sections efficaces de capture et de fission du noyau fissile du cycle. On constate sur cette figure que pour le cycle uranium, seul le spectre rapide de neutron permet d’atteindre la régénération. En spectre thermique en effet, le nombre de neutrons disponible est clairement négatif, ce qui est du à une forte résonnance dans la section efficace de capture du 239 Pu au niveau de la bosse thermique. Pour le cycle thorium en revanche, le nombre de neutrons disponibles est relativement constant sur toute la gamme d’énergie, ce qui signifie que la régénération est théoriquement possible en spectre thermique ou rapide. En rapide, le nombre de neutrons disponibles est moins élevé que pour le cycle uranium, et nous 353
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ECOLE INTERNATIONALE JOLIOT-CURIE D
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Cours enseignés aux précédentes
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MESURES DE SECTIONS EFFICACES D'INT
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AVANT-PROPOS Je dédie ce volume de
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Lorsque les paramètres de déforma
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veaux de neutrons en fonction d’u
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La méthode de Strutinski est emplo
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L’existence d’un tel îlot est
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Γ c r =|γc r |2 : Γ r = ∑ c |
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des résultats obtenus dans cette
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De fait, les évaluations réalisé
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[52] D. L. Hill and J. A. Wheeler,
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Physique des Réacteurs Nucléaires
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Δt Δ n + p = ( 1− β ) keff n (
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De cette étude de la période du r
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L'évolution de la concentration de
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Pressurised Heavy Water Reactor “
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Modélisation et Evaluation de Donn
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Photographie de l’expérience JEZ
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Un exemple de données nucléaires
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Γ b . Malheureusement, comme il n
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efficaces de réaction et shape ela
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Signalons cependant que des études
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Le choix entre les approches phéno
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Comme la section efficace de réact
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Jusque là nous n’avons discuté
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avec a le paramètre dit « de dens
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l’énergie du neutron soit suffis
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Si l’on revient un instant en arr
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Schéma des modules du code TALYS h
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Lorsque les données nucléaires é
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Nous nous sommes placés dans un ca
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Sections efficaces de mesurée (sym
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Résultats de calculs de benchmarks
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Mesure de sections efficaces d’in
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d’énergie E n arrivant sur celle
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modèle optique, σ NC peut être c
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mesurer la distribution angulaire d
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Une version plus sophistiquée de n
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Données et modélisation de la spa
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Un tel détecteur est constitué d
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Sommaire 1 Les bases physiques de l
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Le principe de la transmutation con
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• La nécessité de procéder à
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La figure suivante, montre l’inci
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Mesure et analyse des sections effi
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PORQUET Marie-Geneviève CSNSM - B
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