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Modérateurs
Ralentir rapidement les neutrons sans les capturer
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La présence d'un « modérateur » est indispensable pour faire fonctionner des réacteurs dont le combustible est pauvre ou peu enrichi en éléments fissiles. L'objet de ce milieu modérateur est de ralentir les neutrons pour favoriser les fissions.
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Ralentissement des neutrons par trois noyaux
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Les neutrons de fission sont ralentis par des collisions successives sur les noyaux du modérateur. Il s'agit de capturer le moins de neutrons possibles lors de la série de collisions : le modérateur doit être « transparent ». Le ralentissement doit être rapide pour éviter les captures dans d'autres noyaux. Il faut en moyenne, pour rendre thermique un neutron de 2 MeV, 26 collisions dans un milieu hydrogéné, 31 dans le deutérium, 120 dans le carbone, 2202 dans l'uranium.
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La rapidité du ralentissement dans l'hydrogène est due à ce que l'hydrogène est composé de protons qui ont pratiquement la même masse que les neutrons. L'hydrogène est le ralentisseur le plus rapide, mais il présente l'inconvénient de capturer des neutrons pour former un isotope lourd de l'hydrogène, le deutérium.
Le deutérium, sous forme d'eau lourde, peut servir lui-même de modérateur. Il est un peu moins « rapide », mais étant déjà constitué d'un proton et d'un neutron, il capture moins les neutrons que l'hydrogène. C'est un ralentisseur idéal, dont le handicap est d'être cher (on trouve dans la nature un seul atome de deutérium pour 6500 atomes d'hydrogène). Modéré avec de l'eau lourde (*) , un réacteur arrive à fonctionner même avec de l'uranium naturel.
Le graphite est également un modérateur très performant. Le carbone est un noyau très stable peu enclin à accepter un nouveau neutron. La première pile atomique d'Enrico Fermi, qui fonctionna en 1942 durant la seconde guerre mondiale quand on ne savait pas encore enrichir l'uranium, était « modéré » au graphite. Le graphite est abondant, mais comme il doit être nettoyé de ses impuretés, il est cher.
Les premières centrales à uranium naturel nécessitaient des modérateurs au deutérium (eau lourde) et au graphite pour fonctionner. Depuis que l'on utilise de l'uranium enrichi comme combustible, l'eau ordinaire peut convenir comme modérateur. C'est pourquoi les réacteurs actuels de loin les plus répandus sont à eau bouillante ou pressurisée.
Sujet voisin : Capture des neutrons
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Zone de turbulence
Dans le cœur d'un réacteur, les neutrons entrent en dessous de 10 keV d'énergie dans la zone des résonances de l'uranium-238. La figure donne un aperçu partiel de ce domaine où les probabilités de capture sont importantes à certaines énergies alors qu'elles sont pratiquement nulles ailleurs. Si l'objectif est d'obtenir des neutrons lents pour faire fonctionner le réacteur, il faut demeurer le moins de temps possible dans cette zone de turbulences. En présence d'un modérateur à l'eau, une collision sur un proton de l'hydrogène permettra à un neutron de faire de grands sauts au dessus des turbulences en divisant par deux son énergie en moyenne. Sans modérateur, le neutron perdra son énergie par des petits sauts et aura toutes les chances d'être capturé en tombant sur une résonance. (Source JANIS).
 IN2P3 |
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Voir aussi :
Filières et types de réacteurs
Réacteurs à eau préssurisée
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