Neutronikk

Den nøytron (eller nøytrontransport) er studiet av strømmen av nøytroner i materialet og indusere reaksjonene de er, særlig genereringen av kraft ved fisjon av kjerner av atomer tyngre.

Blant annet gjør neutronikk det mulig å studere nøytronstrømmer (antall nøytroner per arealenhet og per tidsenhet: n / cm 2 / s), samt reaktiviteten til mediet (en parameter som gjør det mulig å redegjøre for for selvbærende kjernefysiske reaksjoner ) og reaksjonshastigheter (fisjon, absorpsjon, diffusjon).

Neutronstudier er grunnlaget for utformingen av kontrollerte fisjons kjernefysiske reaktorer , slik som trykkvannsreaktorer (PWR) brukt av EDF eller raske nøytronreaktorer (RNR), brukt til å produsere energi og drivstoff. Levere i elektrisk form.

Neutronikk er en gren av fysikken som har det spesielle å være mellom mikroskopiske fenomener, på atomskalaen ( ångström ), og makroskopiske fenomener, på skalaen til en kjernefysisk reaktorkjerne ( meter ). I utgangspunktet er det beskrivelsen av samspillet mellom elementære partikler som er nøytroner med kjernene til materiens atomer . På det fysiske prinsippet stammer derfor neutronikk fra kjernefysikk. Imidlertid er befolkningen av nøytroner veldig mange (i størrelsesorden 10 8 gratis nøytroner per kubikkcentimeter i en PWR), men vi må behandle nøytron / kjernevirkninger på en global måte ved å assimilere den til en væske som i mekanikken. .

Studien av neutronikk blir deretter redusert til behandling av Boltzmann-ligningen for nøytroner.

Atomreaksjoner indusert av nøytroner

De viktigste reaksjonene på nøytronsaker er:

• det elastiske sjokket (dette er ikke strengt tatt en nøytronreaksjon): Når denne typen sjokknøytron overfører en del av sin kinetiske energi til målkjernen. Den oppgitte energien er desto viktigere ettersom målets masse er svak. Ved å multiplisere disse sjokkene vil dets kinetiske energi reduseres til den når en likevektsverdi som tilsvarer den termiske omrøringen av mediet ( ). Derav det nåværende navnet på termisk nøytron for lavenergineutroner (E ≈ 0,025 eV ved T = 300 K ). For å fremme spaltingen av 235 U på nøytronabsorpsjonen på 238 U, bruker noen kjernereaktorer et medium som består av lysatomer for å bremse nøytronene . Dette mediet kalles moderator . De vanlige moderatorene er lett vann (H 2 OE=k T{\ displaystyle E = k \ T}  ), Tungt vann (D 2 O, D representerer deuterium , en "tunge" isotop av hydrogen ), grafitt (C) eller (eksperimentelle anvendelser) berylliumoksid (BeO). I Frankrike modereres nå kjernekraftverk utelukkende med lettvann under trykk (PWR reaktor med trykkvann). Kanadiere bruker tungt vann som moderator ( CANDU- reaktorer ). Russiske RBMK-reaktorer ( Tsjernobyl ) eller til og med de gamle franske naturlige uranreaktorene ( UNGG ) har en grafittmoderator. Vann (faktisk hydrogenet i vann) er teoretisk den mest effektive moderator fordi det er den letteste, men det har den mangel å ha et betydelig absorpsjon tverrsnitt .

• nøytronabsorpsjon (eller fangst): målatomet absorberer nøytronet og danner en isotop tyngre enn det opprinnelige atomet. Det nye atomet kan være ustabilt og reduseres ved radioaktivitet ( α , β ) for å gi et nytt atom. Dette er tilfelle for syntesen av plutonium i atomreaktorer (nøytronabsorpsjon på 238 U). Isotopene som ved nøytronfangst gir (etter radioaktivt forfall) en spaltbar kjerne, kalles fruktbare isotoper . Mest materie har en tilbøyelighet til å absorbere et nøytron, denne tilbøyeligheten måles med fangsttverrsnittet.

• kjernefisjon: målkjernen absorberer den innfallende nøytronen og deler seg deretter i 2 eller 3 fragmenter pluss noen få nøytroner (vanligvis 2 til 3). Bare visse isotoper har kapasitet til å generere spaltninger, dette er de spaltbare isotoper. Dette er for eksempel de odde isotoper (oddetall masse A) av uran og plutonium. De jevne isotoper av de samme atomene vil tvert imot gi opphav til en nøytronabsorpsjon som vil føre til dannelsen av et nytt element som er fissilt. Som med nøytronfangst måles tilbøyeligheten til en kjerne til fisjon ved dens fisjonstverrsnitt. Energien som frigjøres ved fisjon av et 235 U- atom er i størrelsesorden 200 MeV .
• reaksjoner (n, p): målet absorberer et nøytron og avgir en proton.
• reaksjoner (n, α): den emitterte partikkelen er en α-partikkel (He-kjernen). Dette er for eksempel tilfellet med reaksjonen på 6 Li som gjør det mulig å generere tritium, drivstoffet for fremtidige kjernefusjonsreaktorer .
• reaksjoner (n, 2n), (n, α + n) ...

Nøytronbalanse i en trykkvannsreaktor

Det eneste spaltbare materialet antas å være 235 U. Tallene som vises er størrelsesorden. 100 uran 235-fisjon frigjør i gjennomsnitt 242 nøytroner, noe som gir opphav til følgende reaksjoner:

• 100 nøytroner forårsaker 100 nye fisjoner, og dermed opprettholder kjedereaksjonen, og forbruker 100 kjerner av det fissile materialet;
• 70 nøytroner gjennomgår fruktbare fangster av 70 kjerner av det fruktbare 238 U- materialet , og transformerer dem til like mange fissile kjerner av 239 Pu;
• 75 nøytroner gjennomgår sterile oppsamlinger, enten av fissile kjerner (30 nøytroner) eller av kjølemediekjerner, kjernestrukturer, kontrollelementer eller fisjonsprodukter;
• 5 nøytroner lekker ut av kjernen (for å bli fanget av nøytronskjold).

Nøytronbalanse i en rask nøytronreaktor

Den eneste spaltbart materiale som er antatt å være 239 Pu. 100 fisjoner på 239 Pu frigjør i gjennomsnitt nesten 300 nøytroner. Disse nøytronene vil gjennomgå følgende reaksjoner:

• 100 nøytroner forårsaker 100 nye fisjoner, opprettholder kjedereaksjonen og forbruker 100 fissile kjerner på 239 Pu;
• 100 nøytroner gjennomgår, i hjertet av reaktoren, en fruktbar fangst av 100 kjerner på 238 U, og transformerer dem til like mange fissile kjerner på 239 Pu;
• 40 nøytroner gjennomgår steril fangst, enten av spaltbare kjerner (20 nøytroner), eller av kjølemediekjerner, strukturer, kontrollelementer eller fisjonsprodukter;
• 60 nøytroner lekker ut av selve kjernen, hvor de i hovedsak gjennomgår (50 nøytroner) en fruktbar fangst av 50 kjerner på 238 U, og transformerer dem til like mange kjerner på 239 Pu; de andre nøytronene (10) gjennomgår steril fangst, enten i teppene eller i nøytronskjoldene.

La oss beregne i begge tilfeller regenereringshastigheten TR, dvs. per definisjon forholdet mellom antall fissile kjerner produsert av fruktbar fangst til antall fissile kjerner ødelagt av fisjon og steril fangst. For en REP får vi TR = 0,6. For Superphénix får vi 0,8 ved å telle bare hjertet og 1,25 ved å telle omslagene. Vi kan derfor se at en reaktor som Superphénix er oppdretter takket være tilstedeværelsen av deksler. Omvendt ville det være meningsløst å omgi en PWR med tepper, gitt det lave antallet nøytroner som lekker ut av kjernen.

For å oppnå en oppdretter ser vi derfor at det er nødvendig å fremme transmutasjonen av 238 U til 239 Pu i teppene, under påvirkning av nøytronstrømmen . Sannsynligheten for en slik reaksjon er gitt av dens tverrsnitt, som avhenger av hastigheten på det innfallende nøytronet. Et nøytron som følge av en fisjonreaksjon har en gjennomsnittlig energi på 2  MeV . I denne hastigheten er tverrsnittet av ønsket reaksjon omtrent 1 fjøs . For en energi mellom 5 og 5000  eV blir imidlertid tverrsnittet enormt, fra flere tusen til flere titusenvis av fjøs. Dette er et resonansfenomen, for hvis vi fortsetter å redusere nøytronets hastighet (energien til et termisk nøytron ved 400  ° C er mellom 10 −2 og 10 −1  eV ), går tverrsnittet tilbake til lave verdier. Derfor, ved hjelp av termiske nøytroner, som i en trykkvannsreaktor, er det ingen sjanse for å fremme uran omdanning . På den annen side går ikke-nedbrutte nøytroner, ved å miste energi i uelastiske kollisjoner med 238 U, gradvis fra en hastighet i størrelsesorden 2  MeV til en hastighet som er gunstig for transmutasjon. Dette er hele poenget med raske nøytronreaktorer (RNR) som Superphénix.

Bruk av raske nøytroner har også en annen fordel. Faktisk, for hastigheter i størrelsesorden keV , er de utidig reaksjonene av sterilt fangst av nøytroner av kjerner i kjernestrukturen av størrelsen på låven , mens det er flere hundre fjøs for nøytroner. Utformingen av en RNR er derfor mindre restriktiv når det gjelder materialvalg enn en PWR.

Imidlertid er det fysiske fenomenet som rettferdiggjør bruk av termiske nøytroner i PWR, i FR-er. Med en hastighet av størrelsesorden keV, induserer et nøytron fisjon av en 235 U- eller 239 Pu- kjerne bare med et tverrsnitt av rekkefølgen av låven. Omvendt øker bruken av et termisk nøytron det samme tverrsnittet til flere hundre fjøs . Bruk av raske nøytroner må derfor kompensere for et lavt fisjonstverrsnitt med høy tetthet av fissilt plutonium .

I termiske nøytronreaktorer tilføres mesteparten av uran 235 , som er direkte spaltbar, men bare til stede ved 0,7% i naturlig uran. FNR-sektoren vil derfor love å til slutt skaffe rundt 100 ganger mer energi fra den samme innledende massen av spaltbart materiale.

Neutron transport teori

Den grunnleggende ligningen til nøytronikk er Boltzmann-ligningen . Denne ligningen knytter parametrene relatert til nøytroner (tetthet, energi, posisjon, hastighet) og parametrene relatert til mediet (tverrsnitt av isotoper). Det er en ligning som gjør status over produksjonen og tapet av nøytroner, den blir bekreftet av nøytronstrømmen .

Takket være denne ligningen er det mulig å vite når som helst posisjonen og energien til alle nøytronene i et medium. Imidlertid, når det gjelder klassisk nøytronikk som involverer et antall nøytroner større enn 10 10 , er den analytiske løsningen av denne ligningen umulig.

Dermed er det utviklet flere metoder for å løse denne ligningen på en omtrentlig måte og dermed forutsi så nøyaktig som mulig oppførselen til nøytroner i en reaktor, for eksempel:

• Den første metoden er Monte-Carlo- metoden (statistisk metode). Hovedkodene som bruker denne metoden er MCNP , Tripoli-4 og SERPENT.
• Den andre metoden diskretiserer ligningen romlig og energisk, den er en deterministisk metode. Koder som bruker denne metoden er ofte skilt i nettverkskoder og kjernekoder.
  • Nettverkskoden løser spesielt Boltzmann-ligningen på skalaen til en atomforsamling . Nettverkskoden som hovedsakelig brukes av EDF, CEA og Areva er APOLLO-2.
  • Kjernekoden bruker resultatene fra en nettverkskode for å løse Boltzmann-ligningen på skalaen til en hel reaktor. Koden som brukes av CEA er CRONOS. Kjernekoden som brukes av EDF er COCCINELLE.

Merknader og referanser

1. "  Fundamental Equations of Neutronics  " (åpnet 2. august 2016 )
2. CEA , "  Hjem  " , på CEA / TRIPOLI-4 ,19. oktober 2013(åpnet 14. januar 2019 )
3. "  Neutronics Computing Codes and High Performance Computing  " (åpnet 2. august 2016 )

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">