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Neutrons rapides



Des neutrons pour la surgénération

On appelle « neutrons rapides » les neutrons produits par les réactions de fission avant qu’ils ne soient ralentis par un grand nombre de chocs. Leur domaine d'énergie se situe entre 0,1 MeV et 2 ou 3 MeV. L'appoint d'une énergie cinétique relativement importante permet aux neutrons rapides de fissionner davantage de noyaux s'ils sont capturés.

Bien que faible par rapport à celle de la lumière, la vitesse d'un neutron de 1 MeV est de 13 800 km/sec. C'est pourquoi ces neutrons sont dits rapides, mais plus que la vitesse c'est l'appoint d'énergie qu'ils apportent qui compte.

Probabilité de fission de l'uranium-235 en fonction de l'énergie du neutron
La probabilité de fission de l'uranium-235 par des neutrons rapides dont l'énergie est grande comparée à celle des neutrons très lents dits "thermiques" n'est que de l'ordre du barn comparée aux 584 barns pour des neutrons thermiques de 0,025 eV. Les réacteurs utilisant ces neutrons requièrent un combustible riche en matière fissile et nécessitent un flux élevé de neutrons.
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L'intérêt des réacteurs à neutrons rapides est de se prêter à la surgénération. Il est possible avec ces réacteurs de produire davantage de noyaux fissiles qu’il n’en est consommé, en transformant de l'uranium-238 en plutonium-239. Avec la surgénération, le combustible devient quasiment inépuisable.

Les neutrons rapides sont ainsi capables de fissionner, donc de détruire, non seulement les noyaux réputés fissiles avec des neutrons lents mais les actinides mineurs, des noyaux plus lourds que l’uranium qui s’accumulent dans le combustible des réacteurs et constituent des déchets radioactifs gênants. Pour détruire ces actinides, il faut des neutrons rapides.

Le désavantage des neutrons rapides est qu'ils sont difficilement capturés par les noyaux : leur faible probabilité d’interaction, appelée « section efficace », est beaucoup plus faible que celle des neutrons lents. Les noyaux cibles d'uranium ou de plutonium leur paraîssent petits. Un combustible riche en éléments fissiles et des flux intenses de neutrons sont nécessaires pour compenser cette faible probabilité d’interagir.

Avantage aux neutrons rapides
L'appoint d'énergie cinétique des neutrons rapides favorise la fission des noyaux lourds qui sont fragiles. La figure compare les pourcentages de captures suivies de fission des principaux isotopes de l'uranium, du plutonium et des actinides mineurs dans le cas les neutrons lents (en vert) d'un réacteur classique à eau pressurisée et des neutrons rapides d'un réacteur hybride (en jaune). Les neutrons rapides sont capables de fissionner tous les noyaux lourds présents dans les réacteurs y compris des noyaux réputés non fissiles.
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Les réacteurs à neutrons rapides ont déjà fonctionné mais se comptent aujourd'hui sur les doigts d'une main. En 2016, la Russie, a mis en service un nouveau réacteur à neutrons rapides, le BN-800. En France, SUPERPHENIX, le premier gros réacteur de ce type ayant été mis en service, a été arrêté en 1997 pour des raisons plus politiques que techniques. Mais la plupart des concepts de réacteurs de quatrième génération envisagés à l'horizon 2040 seraient à neutrons rapides. La France s'est engagée dans cette voie, avec un projet appelé ASTRID.

Comme il a été dit, de tels réacteurs à neutrons rapides seraient à même de brûler avec ces noyaux lourds - les actinides mineurs - qui constituent des déchets radioactifs à très longue durée de vie et ainsi d'en réduire l'inventaire.

Il existe également des projets d'accélérateurs couplés à un réacteur (Accelerator Driven System ou ADS) comme le projet européen MHYRRA. Ces "brûleurs de déchets' seraient dédiés à la destruction de ces actinides mineurs mineurs, grâce à des neutrons que l'on pourrait qualifier de très rapides. L'énergie des neutrons produits par ces réacteurs hybrides serait de plusieurs MeV, bien supérieure à celle des neutrons de fission.

SUITE : Section efficace