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Neutrons retardés
Un délai pour réagir offert par la Nature ...
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Mesure des neutrons retardés dans le cadre de l'expérience MUSE
Nous avons vu que 2,5 à 3 neutrons primaires sont émis en moyenne lors d'une fission. Les fragments fraîchement formés, très excédentaires en neutrons, subissent pour retrouver la stabilité toute une série de désintégrations bêta avec des périodes variables. Il arrive que lors du retour à la stabilité une de ces désintégrations bêta laisse le noyau dans un état excité, dont l'énergie est suffisante pour autoriser l'émission d'un neutron. Un tel neutron est dit « retardé », parce qu'il est émis bien après les neutrons primaires. Les produits de fission qui émettent ces neutrons retardés au cours de leur décroissance radioactive sont appelés précurseurs.
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Production d'un neutron retardé
Les produits de fission, trop riches en neutrons, subissent une série de désintégration bêta pour corriger cet excès et retrouver la stabilité. Lors d'une de ces désintégrations, le noyau peut être laissé dans un état de forte excitation. Il se désexcite habituellement en émettant un ou plusieurs photons gamma, mais si l'énergie d'excitation est suffisante l'alternative s'offre à lui de perdre un neutron. En raison, de la période radioactive du noyau précurseur et de ceux qui le précèdent, ce neutron est émis avec un retard par rapport à la fission qui peut atteindre quelques minutes.
 IN2P3 |
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Le délai entre la fission (avec émission de neutrons dits prompts) et l'émission des neutrons retardés va du centième de seconde à quelques dizaines de secondes suivant les noyaux précurseurs. Les neutrons retardés sont un des aspects essentiels de la conduite des réacteurs et de leur sûreté. Ils sont peu nombreux par rapport au nombre de neutrons prompts (0,7% dans les REP) mais c'est leur existence qui donne le temps de réagir à d'éventuelles variations dans le comportement des réacteurs.
La fraction de neutrons retardés ne varie pratiquement pas au cours du temps : elle est liée à la composition des produits de fission, qui est à peu près constante pour un combustible donné.
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Plan de Masurca
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Une expérience effectuée par le laboratoire de physique des réacteurs du LPSC Grenoble sur le réacteur MASURCA du CEA à Cadarache, met non seulement en évidence l'existence de ces neutrons retardés mais permet d'en mesurer le taux de production. Cette expérience a été effectuée dans le cadre du programme MUSE (MUltiplication de Source Externe) dont l'objet est d'étudier la conduite d'un réacteur sous-critique par une source extérieure de neutrons.
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La source de neutrons, GENEPI (GEnérateur de NEutrons Pulsés de forte Intensité), est couplée au réacteur. Elle joue le rôle de l'accélérateur d'un système hybride. Le réacteur MASURCA est un réacteur expérimental de faible puissance, rendu sous-critique en retirant la proportion voulue de barres de combustible.
La mesure de la réactivité retardée repose sur la mesure de la décroissance du flux de neutrons, après épuisement des neutrons prompts. Mais, pour obtenir une population de neutrons retardés suffisante pour la mesure, il faut d'abord accumuler les précurseurs de neutrons retardés. Dans un premier temps, donc, on « sature » les précurseurs, en demandant à la source de fournir un grand nombre de neutrons ( 4000 Hz ou impulsions de neutrons par seconde) pendant 200 secondes. Ceci a pour effet de faire travailler le réacteur à haute puissance, donc à grand nombre de fissions promptes, et grand nombre de fissions induites par des neutrons retardés. La fréquence d'alimentation est ensuite réduite brutalement à 300 Hz et la décroissance du flux de neutrons retardés est mesurée.
Notons qu'à l'équilibre, la proportion de fissions promptes par rapport aux fissions retardées est indépendante de la puissance. Par contre, pendant la dé-saturation de la population de précurseurs, les fissions retardées dominent. Pour obtenir assez de données, condition de la qualité des résultats, plusieurs cycles sont superposés.
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Effets des neutrons retardés
La courbe représente la variation du taux de comptage ou de la puissance du réacteur sous-critique quand celui-ci est alimenté en neutrons pendant 200 secondes, alternativement à raison de 4000 et de 300 impulsions par seconde. La réponse du réacteur montre clairement l'effet des neutrons retardés. Lors du changement de régime, la puissance tombe de 26 à 2 watts. On remarquera, qu'après une chute de puissance quasi instantanée (effets des neutrons prompts), le réacteur n'atteint le bas régime qu'au bout des 200 secondes. Cette décroissance lente est due aux neutrons retardés. On déduit de cette décroissance la fraction de ces neutrons.
LPSC-Grenoble |
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Les mesures ont donné 0,0032 pour la fraction de neutrons retardés par rapport au nombre total de neutrons, ce qui est en accord avec la valeur attendue pour le combustible utilisé lors de ces mesures.
Sujet voisin : Grappes de contrôle
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Voir aussi :
Réacteurs hybrides
Physique des Réacteurs au LPSC Grenoble
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