Le pourquoi des neutrons rapides

Les réacteurs surgénérateurs ont besoin de neutrons rapides et d'un combustible au plutonium car ces conditions permettent la « surgénération ». Pour que la surgénération soit possible avec un noyau fissile, il faut que le nombre de neutrons secondaires disponibles soit le plus possible supérieur à deux. Une marge confortable est nécessaire pour tenir compte des pertes et des fuites inévitables.

Cette condition est seulement vérifiée pour le plutonium-239 avec des neutrons rapides et l'uranium-233 avec des neutrons lents. Étant donné que des charges de combustible à l'uranium-233 ne sont pas actuellement disponibles, la seule voie restant offerte est celle du plutonium et des neutrons rapides. Le plutonium-239 génère 2,3 neutrons secondaires par capture avec des neutrons rapides, offrant une marge de 0,3 neutrons au-dessus du seuil théorique des deux neutrons requis (pour des neutrons lents cette marge tombe à 0,11 ce qui est insuffisant).

L'uranium-235 ne se prête pas à la surgénération : le nombre de neutrons par capture n'est que de 2,07 avec des neutrons lents (surgénération théoriquement possible, mais la marge de 0,07 est insuffisante) et de 1,9 avec des neutrons rapides (surgénération impossible).

Dans un surgénérateur, le cœur du combustible riche en plutonium est entouré d'une couverture fertile d'uranium pour que les neutrons rapides qui la traversent soient capturés et régénèrent du plutonium. Sur les 2,3 neutrons secondaires produits lors de la capture d'un neutron rapide, un est requis pour l'entretien de la réaction en chaîne, un autre pour la régénération, le reste étant perdu.

Contrairement aux réacteurs classiques où l'art consiste à éviter les captures dans l'uranium de peur qu'elles n'entravent la marche du réacteur, ces captures sont au contraire ici recherchées. Les surgénérateurs n'ont pas besoin d'un modérateur, ce qui rend le cœur de ces réacteurs petit et compact. Les neutrons se ralentissent à la suite des chocs élastiques sur les noyaux lourds présents dans le cœur. Ces chocs favorisent la capture dans les noyaux d'uranium-238 de la couverture fertile.

Ces captures, qui piègent les neutrons avant qu'ils n'arrivent à des énergies thermiques, assurent aussi la sécurité du réacteur. Si les neutrons devenaient thermiques, le cœur étant riche en éléments fissiles, une réaction en chaîne explosive se développerait. Du point de vue du contrôle de la réaction en chaîne, les réacteurs à neutrons rapides sont très sûrs.

La teneur en plutonium fissile est nettement plus élevée que la teneur en uranium-235 des réacteurs à neutrons lents. Sans cette teneur élevée, ils ne pourraient fonctionner. Les flux de neutrons sont très intenses ce qui compense le fait que les neutrons rapides sont captés moins facilement que les neutrons lents.

Sujets voisins : Pourquoi du sodium et du plomb fondu ?, Bilan et perspectives des RNR