Qu’est-ce que le cycle de vie des neutrons – Définition

Le cycle de vie des neutrons quantifie les processus neutroniques physiques les plus importants qui se produisent dans le  réacteur nucléaire . Dans le réacteur, les neutrons sont produits sous forme de neutrons rapides et la plupart d’entre eux sont absorbés après thermalisation. Il existe six processus (facteurs)  qui décrivent la capacité de multiplication inhérente du système. Quatre d’entre eux sont complètement indépendants de la taille et de la forme du réacteur et ce sont:

• Fission rapide . Le processus de fission rapide est dans le facteur de multiplication caractérisé par le facteur de fission rapide , ε , qui augmente la population de neutrons rapides en une génération de neutrons. Le facteur de fission rapide est défini comme le rapport des neutrons rapides produits par les fissions à toutes les énergies au nombre de neutrons rapides produits par la fission thermique.
• Évasion de résonance . La probabilité d’évasion par résonance , symbolisée par p, est la probabilité qu’un neutron soit ralenti à l’énergie thermique et échappe à la capture par résonance . Cette probabilité est définie comme le rapport entre le nombre de neutrons qui atteignent les énergies thermiques et le nombre de neutrons rapides qui commencent à ralentir.
• Utilisation thermique . Le facteur d’utilisation thermique , f , est la fraction des neutrons thermiques qui sont absorbés dans le combustible nucléaire , dans tous les isotopes du combustible nucléaire. Il décrit à quel point les neutrons thermiques sont absorbés (dans quelle mesure ils sont bien utilisés) dans le carburant. La valeur du facteur d’utilisation thermique est donnée par le rapport du nombre de neutrons thermiques absorbés dans le combustible (tous les nucléides) au nombre de neutrons thermiques absorbés dans tout le matériau qui constitue le cœur .
• Reproduction . Le nombre de neutrons créés dans la nouvelle génération est déterminé par le facteur de reproduction des neutrons . Le facteur de reproduction, η , est défini comme le rapport entre le nombre de neutrons rapides produits par fission thermique et le nombre de neutrons thermiques absorbés dans le combustible.

Ces processus du cycle de vie des neutrons, quantifiés par leurs facteurs, constituent le facteur de multiplication infini (k _∞ ), qui peut être exprimé mathématiquement en termes de ces facteurs en suivant l’équation, généralement connue sous le nom de formule à quatre facteurs :

k _∞  = η.ε.pf

Le facteur de multiplication effectif ( k _eff ) peut être exprimé mathématiquement en termes de facteur de multiplication infini (k _∞ ) et de deux facteurs supplémentaires qui expliquent la fuite de neutrons pendant la thermalisation neutronique ( probabilité de non-fuite rapide ) et la fuite de neutrons pendant la diffusion des neutrons ( thermique probabilité de non-fuite ) en suivant l’équation, généralement connue sous le nom de formule à six facteurs :

k _eff = k _∞ . P _f . P _t

• Probabilité de non-fuite rapide . Au cours du processus de ralentissement, certains des neutrons s’échappent des limites du cœur du réacteur avant d’être thermalisés . Ce processus et son impact sur le facteur multiplicateur effectif sont caractérisés par le facteur de non-fuite rapide , P _f , qui est défini comme le rapport du nombre de neutrons rapides qui ne fuient pas du cœur du réacteur pendant le processus de ralentissement à la nombre de neutrons rapides produits par les fissions à toutes les énergies.
• Probabilité de non-fuite thermique . Pendant la diffusion des neutrons , certains des neutrons s’échappent des limites du cœur du réacteur avant d’être absorbés. Ce processus et son impact sur le facteur multiplicateur effectif sont caractérisés par le facteur de non-fuite thermique , P _t , qui est défini comme le rapport du nombre de neutrons thermiques qui ne fuient pas du cœur du réacteur pendant le processus de diffusion neutronique à la nombre de neutrons qui atteignent les énergies thermiques.

En physique des réacteurs , k _eff  est le paramètre le plus important en ce qui concerne la commande du réacteur. À tout niveau ou condition de puissance spécifique du réacteur, k _eff  est maintenu aussi près que possible de la valeur de 1,0 . À ce stade de fonctionnement, l’ équilibre neutronique est maintenu à exactement un neutron, ce qui termine le cycle de vie de chaque neutron d’origine absorbé dans le combustible.

Cycle de vie des neutrons dans les réacteurs rapides

La méthode de calcul des facteurs de multiplication a été développée dans les premières années de l’énergie nucléaire et n’est applicable qu’aux réacteurs thermiques , où l’essentiel des réactions de fission se produit aux énergies thermiques. Cette méthode met bien en contexte tous les processus associés aux réacteurs thermiques (par exemple la thermalisation neutronique, la diffusion neutronique ou la fission rapide), car les processus neutroniques physiques les plus importants se produisent dans des régions énergétiques qui peuvent être clairement séparées les uns des autres . En bref, le calcul du facteur de multiplication donne un bon aperçu des processus qui se produisent dans chaque système de multiplication thermique.

Pour les réacteurs rapides , dans lesquels la fission est provoquée par des neutrons à très large distribution d’énergie, une telle analyse est inappropriée. Le flux de neutrons dans les réacteurs rapides doit être divisé en plusieurs groupes d’énergie . De plus, dans les réacteurs rapides, la thermalisation neutronique est un processus indésirable et donc la formule à quatre facteurs n’a pas vraiment de sens. La probabilité d’évasion par résonance n’est pas significative car très peu de neutrons existent aux énergies où l’absorption par résonance est significative. La probabilité de non-fuite thermique n’existe pas car le réacteur est conçu pour éviter la thermalisation des neutrons.