Comprendre le processus de thermolisation des neutrons dans différents modérateurs

Qu'est-ce que la thermolyse de Neutron?

La thermothermisation des neutrons est un processus central de la physique nucléaire, essentiel au fonctionnement du réacteur et à de nombreuses applications expérimentales. Elle décrit comment les neutrons rapides, typiquement avec les énergies de la gamme méga-électron-volt (MeV), subissent des collisions successives avec les noyaux d'un matériau modérateur jusqu'à ce que leur distribution d'énergie corresponde au mouvement thermique des atomes environnants. À température ambiante, les neutrons thermiques atteignent en moyenne 0,025 eV, ce qui correspond à une vitesse d'environ 2 200 mètres par seconde.

Le terme «thermalisation» vient de la thermodynamique : après assez de collisions élastiques et inélastiques, la population de neutrons atteint l'équilibre thermique avec le modérateur. En pratique, un neutron rapide qui commence par 1 MeV d'énergie cinétique peut avoir besoin de dizaines à des centaines de collisions pour verser assez d'énergie pour devenir thermique. Le nombre exact dépend des propriétés du modérateur, en particulier de la masse de ses noyaux.

La Physique de la Modération Neutron

Le ralentissement d'un neutron est régi par la conservation de l'élan et de l'énergie. Lorsqu'un neutron de masse m et la vitesse initiale v_i] se heurte à un noyau stationnaire de masse M, la fraction d'énergie cinétique retenue par le neutron après la collision dépend de l'angle de diffusion. En moyenne, sur de nombreuses collisions isotropes, le neutron perd une fraction fixe de son énergie par collision. Cela conduit au concept de « léthargie », mesure logarithmique de la perte d'énergie. La diminution moyenne de l'énergie logarithmique ()) est une mesure du modérateur clé :

. . = 1 - ( (A-1)² / (2A) ) * ln( (A+1) / (A-1) )

où A est le nombre de masse du noyau modérateur (en unités de masse neutronique). Pour l'hydrogène (A=1), -, ce qui signifie qu'un neutron perd presque toute son énergie en une collision tête-à-tête. Pour le carbone (A=12), -, il faut environ 0,158, donc plus de collisions. Cette décrétion logarithmique influence directement le nombre de collisions (N) nécessaires pour thermaliser un neutron: N = (ln(E_initial/E_thermal) / -. Pour un neutron rapide commençant à 2 MeV et ralentissant à 0,025 eV, le nombre requis de collisions est d'environ 18 pour l'hydrogène, 115 pour le deutérium et environ 150 pour le graphite.

Mécanique de l'échouement de neutrons

Deux principaux mécanismes de dispersion se produisent pendant la thermoisation : la diffusion élastique et la diffusion inélastique.

Écaillage élastique

Dans la diffusion élastique, l'énergie cinétique totale du neutron et du noyau est conservée. Le neutron peut se disperser dans n'importe quelle direction dans le cadre du centre de masse. Pour les noyaux légers (faible A), le transfert d'énergie maximum se produit dans une collision tête-à-tête où le neutron rebondit directement en arrière. L'hydrogène est unique parce que son noyau est un proton de la même masse que le neutron; une collision tête-à-tête peut arrêter entièrement le neutron et transférer toute son énergie au proton. Cela rend les modérateurs d'hydrogène extrêmement efficaces par collision.

Écaillage inélastique

Dans ce processus, la diffusion neutronique se heurte au noyau et le laisse dans un état excité. La neutron perd plus d'énergie cinétique que dans une collision élastique, et le noyau émet plus tard un rayon gamma alors qu'il se désexcite. La diffusion inélastique contribue à ralentir, mais elle peut aussi durcir le spectre des neutrons si les rayons gamma émis ne sont pas capturés efficacement. Dans les réacteurs à eau légère, la diffusion inélastique de l'oxygène et de l'hydrogène joue un rôle dans les premières collisions avant que la diffusion élastique domine.

Types de modérateurs et leurs propriétés

Différents matériaux modérateurs présentent des compromis uniques entre la puissance modératrice, la section d'absorption, les propriétés thermiques et le coût. Les trois plus courants sont l'eau légère, l'eau lourde et le graphite, mais d'autres candidats existent pour les réacteurs spécialisés.

Eau légère (H2O)

L'eau légère est le modérateur le plus utilisé, employé dans les réacteurs à eau pressurisée (REP) et les réacteurs à eau bouillante (REB). Son avantage principal est la puissance modératrice élevée due à la faible masse d'hydrogène et à la haute densité d'atomes d'hydrogène dans l'eau. De plus, l'eau sert à la fois de liquide de refroidissement et de modérateur, simplifie la conception du réacteur. Toutefois, l'eau a une section transversale importante d'absorption thermique des neutrons (principalement de l'hydrogène), ce qui signifie que l'uranium naturel ne peut pas supporter une réaction en chaîne dans un réacteur à eau légère – enrichissement à environ 3 à 5 % ²³⁵U est nécessaire. L'eau a également un point d'ébullition élevé (100 °C à 1 atm), mais les réacteurs fonctionnent à des pressions élevées pour maintenir le liquide d'eau à des températures plus élevées, ce qui nécessite des récipients à pression épaisse.

Eau lourde (D2O)

L'eau lourde utilise du deutérium (²H) au lieu de l'hydrogène ordinaire. La masse de Deutérium est environ deux fois plus élevée que celle du neutron, mais elle a encore une section transversale d'absorption thermique de neutrons d'environ 0,730. Sa section transversale n'est qu'environ 0,001 grange, soit environ 330 fois inférieure à celle de l'eau légère. Cette faible absorption permet aux réacteurs d'eau lourde comme le modèle CANDU de fonctionner sur de l'uranium naturel, réduisant les coûts du combustible et éliminant le besoin d'enrichissement. L'eau lourde est coûteuse à produire (environ 300 $ à 700 $ le kilogramme), et son utilisation introduit un important inventaire de modérateur coûteux.

Graphite (Carbon)

Le graphite est utilisé depuis les premiers réacteurs, y compris le Chicago Pile-1 et le Tchernobyl RBMK. Le carbone (A=12) a un φ inférieur à l'hydrogène ou au deutérium, de sorte que plus de collisions sont nécessaires. Cependant, la section transversale extrêmement faible du graphite (environ 0,0035 granges pour le carbone naturel) et une conductivité thermique élevée en font un excellent modérateur pour les réacteurs refroidis au gaz (comme le réacteur à gaz perfectionné, AGR) et pour les réacteurs à haute température (HTGR). Le graphite a également un point de fusion élevé (sublimes à 3 600 °C) et peut résister à des doses élevées de rayonnement sans dégradation importante, bien qu'il conserve de l'énergie sous forme d'énergie Wigner (atomes déplacés) qui peut être libérée spontanément si ce n'est pas recuit.

Béryllium

Le béryllium (A=9) est un autre élément léger aux bonnes propriétés modératrices. Sa section transversale d'absorption est faible (environ 0,0076 granges), et sa puissance modératrice est encore plus élevée que celle du graphite. Le béryllium est utilisé comme réflecteur et parfois comme modérateur dans les réacteurs de recherche et dans certains réacteurs spatiaux. Cependant, il est coûteux, toxique sous forme de poussière, et peut devenir fragile sous irradiation neutronique.

Autres modérateurs

Pour des applications spécialisées, des composés comme l'hydrure lithium-7 (⁷LiH) ont été étudiés pour être utilisés dans des fusées thermiques nucléaires à cœur solide en raison de leur haute densité d'hydrogène et de leur point de fusion. L'hydrure de zirconium (ZrH) est utilisée dans les réacteurs TRIGA (formation, recherche, isotopes, atomiques générales) parce qu'elle maintient les atomes d'hydrogène fermement dans un réseau métallique, fournissant un coefficient de température négatif élevé de réactivité.

Temps de thermolisation et spectre de neutrons

Dans l'eau légère, un neutron rapide typique prend environ 10 à 20 microsecondes pour atteindre l'énergie thermique, voyageant sur une longueur de 10 à 30 cm pendant le processus. Dans le graphite, la thermoisation prend un ordre de grandeur plus long (des centaines de microsecondes) parce que le chemin libre moyen entre les collisions est plus grand et que moins de collisions par unité de longueur se produisent. Le spectre de neutrons résultant dans un réacteur thermique est une distribution Maxwell-Boltzmann avec un pic autour de 0,025 eV à 20°C, mais il contient également une queue de neutrons épithermaux. La forme du spectre affecte les vitesses de réaction, l'épuisement du combustible et la valeur de la tige de commande. Dans les réseaux à eau lourde, la thermolyse plus lente peut conduire à un spectre légèrement plus dur que dans l'eau légère, ce qui influence la capture de résonance dans ²³⁸U et la reproduction du plutonium.

Comparaison de l'efficacité du modérateur

Plusieurs chiffres de mérite sont disponibles pour comparer les modérateurs :

Puissance de modulation (MP):[ Défini comme le produit de la section transversale de diffusion macroscopique et de la diminution moyenne de l'énergie logarithmique, -_s × -. Une valeur plus élevée signifie une thermolyse plus rapide.
[Ratio de modulation (MR): MP divisé par la section transversale d'absorption macroscopique ---_a. Un rapport plus élevé indique que moins de neutrons sont perdus à l'absorption pendant la thermolyse. Ce rapport est essentiel pour la faisabilité du réacteur avec l'uranium naturel.
Coût et disponibilité: L'eau légère est bon marché et abondante; l'eau lourde est chère; le graphite est modérément bon marché mais nécessite une purification pour éviter les impuretés du bore.
Stabilisation de la radiation: La graphite accumule l'énergie de Wigner; l'eau se décompose radiolytiquement (bien que la recombinaison soit généralement rapide); le ZrH peut perdre de l'hydrogène à des températures élevées.

Le tableau suivant résume les principales propriétés des modérateurs communs :

Moderator	Mass Number (A)	ξ	Σ_s (cm⁻¹)	Σ_a (cm⁻¹)	MP (cm⁻¹)	MR
H₂O	1 (H) / 16 (O)	0.924 (effective)	3.45	0.022	3.19	145
D₂O	2 (D) / 16 (O)	0.730 (effective)	0.565	0.000 054	0.412	7,630
Graphite	12	0.158	0.385	0.000 273	0.061	224
Be	9	0.206	0.805	0.001 02	0.166	163

Note: Les valeurs sont approximatives pour la composition naturelle à la température ambiante; l'oxygène et l'hydrogène dans l'eau contribuent à la diffusion.

Importance des réacteurs nucléaires

La compréhension du processus de thermoisation est essentielle pour concevoir des réacteurs efficaces et sûrs. Dans un noyau hétérogène (couronnes de combustible entourées de modérateur), la modération neutronienne se produit principalement dans la région modérateur. Si le modérateur se réchauffe et que sa densité diminue, la puissance modératrice diminue, ce qui entraîne une réduction de la réactivité – c'est le principe derrière le coefficient de température du modérateur négatif, élément clé de sécurité dans les réacteurs à eau légère. Dans les réacteurs à graphite modéré, l'effet est moins prononcé, ce qui peut être un inconvénient. L'équilibre entre modération neutronienne et absorption influence directement l'économie des neutrons : un bon modérateur doit ralentir les neutrons vers les énergies thermiques sans en absorber trop.

Dans un grand réacteur, le flux thermique peut atteindre un pic à une distance de l'interface carburant-modérateur, car les neutrons rapides voyagent une certaine distance avant de devenir thermiques. Ce phénomène de "diffusion du neutron" est critique pour la conception du cœur et pour la prévision des pics de puissance. La longueur ralentissante (la distance parcourue pendant la thermologie) est d'environ 5-10 cm en eau légère, mais peut dépasser 20 cm en graphite. Ces différences doivent être capturées dans les modèles informatiques en utilisant la théorie de diffusion multigroupes ou les méthodes Monte Carlo.

Demandes au-delà des réacteurs

La thermolyse des neutrons est importante dans de nombreuses applications non énergétiques :

La diffusion des neutrons: Dans des installations de recherche comme l'Institut Laue-Langevin (ILL) en France ou la Source de Neutron Spallation (SNS) aux États-Unis, des faisceaux de neutrons thermiques sont utilisés pour sonder la structure des matériaux.
Analyse d'activation des neutrons (NAA):[ Les neutrons thermiques sont idéaux pour produire des isotopes radioactifs dans des échantillons pour la détection des oligo-éléments. Le processus de thermalisation dans l'installation d'irradiation (souvent un réacteur) doit être optimisé pour maximiser le flux de neutrons thermiques par rapport aux neutrons rapides.
Boron Neutron Capture Therapy (BNCT):[ Ce traitement expérimental du cancer repose sur des neutrons thermiques ou épithermiques capturés par ¹⁰B, qui subit ensuite une fission, libérant des particules alpha qui tuent les cellules tumorales. La thérapie nécessite un faisceau de neutrons bien thermiquement pour déposer l'énergie sélectivement.
Radiographie de neutrons: Les neutrons thermiques peuvent pénétrer dans les matériaux légers (p. ex., aluminium, eau) mais sont dispersés par l'hydrogène, ce qui les rend idéales pour l'imagerie de l'humidité ou des matériaux organiques à l'intérieur des boîtiers métalliques.
Exploration géophysique: Dans l'exploitation des forages, les neutrons d'une source sont thermalisés par les formations environnantes. Le taux de thermalisation révèle la teneur en hydrogène (eau ou huile) de la roche, ce qui permet de détecter les ressources.

Défis et concepts de modérateur avancés

Malgré la maturité de la technologie des modérateurs, la recherche continue de relever les défis suivants :

Les dommages causés par la radiation:[ Dans les réacteurs à très haut flux, comme les réacteurs d'essai de matériaux, les modérateurs d'eau subissent une radiolyse, produisant de l'hydrogène et du gaz d'oxygène.
Modérateurs à haute température: Pour les réacteurs à très haute température de nouvelle génération (VHTR) fonctionnant à une température supérieure à 900 °C, le graphite est le modérateur préféré, mais sa tendance à s'oxyder dans les accidents d'entrée d'air doit être combattue avec des revêtements protecteurs ou des matériaux alternatifs comme ZrH ou MgO.
Moteurs de sel liquide:[ Dans les réacteurs à sel fondu, le combustible est dissous dans un fluorure ou un sel de chlorure. Certains modèles utilisent le graphite comme modérateur solide, qui doit être remplacé périodiquement par un gonflement.
Moyens d'impulsion: Dans les sources de neutrons de spallation, les modérateurs doivent produire de courtes impulsions de neutrons thermiques (durée de microseconde) pour les expériences de temps de vol, ce qui exige d'optimiser la géométrie et la composition du matériau (p. ex., en utilisant de l'eau, du polyéthylène ou de l'hydrogène liquide) pour maximiser le rendement des neutrons tout en préservant la netteté de l'impulsion.
Les réacteurs spatiaux: Pour les réacteurs nucléaires compacts utilisés dans l'espace (p. ex., le projet Kilopower), des modérateurs légers comme l'hydrure d'yttrium (YH2) sont en cours de développement parce qu'ils maintiennent une densité d'hydrogène élevée à des températures élevées (~700°C) tout en étant moins sujets à la perte d'hydrogène que ZrH.

Conclusion

La thermolyse des neutrons demeure une pierre angulaire de l'ingénierie nucléaire. Le choix du modérateur – eau légère, eau lourde, graphite ou matériaux avancés – façonne l'économie, la sûreté et la performance des réacteurs nucléaires et des instruments à base de neutrons. Les progrès de la science des matériaux et de la physique des réacteurs continuent d'affiner notre compréhension, ce qui permet une utilisation plus efficace des neutrons tant dans la production d'énergie que dans la découverte scientifique.

Pour de plus amples informations sur la modération neutronique, voir le Manuel américain de la Commission de réglementation nucléaire sur les concepts de réacteurs ou le guide de l'AIEA sur la physique neutronique. Des détails techniques sont disponibles dans L'introduction au génie nucléaire de Lamarsh et Duderstadt et Hamilton dans le «Nuclear Reactor Analysis». Pour une perspective scientifique sur la performance des modérateurs, voir l'article «La modération neutronique dans les concepts avancés de réacteurs» dans le Journal of Applied Physics.