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Modérateurs de neutrons



Ralentir rapidement les neutrons sans les capturer

La quasi-totalité des réacteurs en fonctionnement aujourd'hui utilisent un combustible pauvre ou peu enrichi en éléments fissiles. Pour fonctionner, ces réacteurs ont besoin d'un modérateur, un milieu qui favorise les fissions.

Dans le combustible nucléaire, les noyaux fissiles d'uranium-235 et de plutonium-239 sont très minoritaires par rapport à ceux d'uranium-238 qui ne le sont pas. Il faut en compenser le faible nombre. Le modérateur en ralentissant les neutrons compense cette faible proportion. Les neutrons lents ont en effet une probabilité beaucoup plus élevée de déclencher la fission d'un noyau d'uranium-235 que d'être capturés par un noyau d'urnanium-238 stérile à ce point de vue,

Comparaison du ralentissement par 3 noyaux
La figure montre comment l'énergie d'un neutron de 1 MeV diminue lors d'une suite de collisions successives sur des noyaux d'hydrogène, de carbone et d'uranium. Une dizaine de collisions sur les protons de l'hydrogène suffit à diviser par 1000 l'énergie du neutron.Le ralentissement est beaucoup plus lent avec un noyau léger comme la carbone (12 nucléons) et surtout l'uranium qui en comprend 238.
IN2P3

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 stériles par 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.

L'efficacité 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.

Depuis que l'on utilise de l'uranium enrichi comme combustible cet inconvénient n'est plus rédhibitoire. L'eau ordinaire peut convenir comme modérateur. C'est pourquoi les réacteurs actuels de loin les plus répandus sont à eau bouillante ou pressurisée.

Sauter au dessus des résonances ...
Dans le coeur d'un réacteur, il s'agit de limiter les pertes de neutrons par capture dans l'uranium-238 prédominant. La figure montre la présence à basse énergie (en dessous de 10 keV d'énergie), d'une zone de résonances ou les captures sont importantes à certaines énergies. Il faut demeurer le moins de temps possible dans cette zone de turbulences. Une collision sur un proton de l'hydrogène d'un modérateur à eau permettra à un neutron de faire un saut unique au dessus des turbulences en divisant en moyenne par deux son énergie. Sans modérateur, le neutron perdrait son énergie par des petits sauts et tomberait sur une résonance de capture de l'uranium-238.
IN2P3 (Source JANIS)

Les premières centrales à uranium naturel nécessitaient des modérateurs au deutérium (eau lourde) et au graphite pour fonctionner.

Le deutérium, sous forme d'eau lourde, peut servir lui-même de modérateur. Il est un peu moins « efficace », 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. C'est le cas des réacteurs canadiens et indiens de la filière CANDU qui utilisent de l'eau lourde comme modérateur.

Le graphite est également un modérateur 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 « modérée » au graphite. Le carbonr doit être très pur, nettoyé de ses impuretés.

Les premiers réacteurs français UNGG de la filère graphite gaz et les réacteurs britanniques Magnox utilisaient le graphite comme modérateur. Les réacteurs avancés au gaz ou AGR (Advanced Gas-cooled Reactor), développés en Grande-Bretagne, utilisent aussi le graphite comme les réacteurs RBMK russes restant en activité.

Les modérateurs au graphite sont volumineux. A la fin de la vie du réacteur, le modérateur est devenu faiblement radioactif du fait de la formation de carbone-14. Lors du démantèlement, les blocs de graphite sont considérés comme des déchets radioactifs de faible activité à vie longue (FAVL). Le modérateur en graphite du réacteur RBMK de Tchernobyl a été l'origine d'un dramatique incendie. Le graphite prit feu propulsant en altitude durant une semaine des particules radioactives ...

Utiliser l'eau - lourde ou légère - comme modérateur présente de nombreux avantages. Non seulement elle ralentit les neutrons, mais elle évacue la chaleur générée par les fissions. L'eau joue à la fois le rôle de modérateur et de caloporteur, pour employer le langage des techniciens de l'atome. Contrairement au graphite, elle ne générera pas ou très peu de déchets radioactifs ... et elle ne prendra pas feu.

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