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Neutrons retardés



Un délai pour réagir offert par la Nature ...

Entre 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.

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

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 constituent un des outils, offert par la nature, utilisés par les ingénieurs pour la conduite et la sûreté des réacteurs.

Ils sont peu nombreux par rapport au nombre de neutrons prompts (0,7% dans les REP) mais leur existence donne le temps de réagir à d'éventuelles variations de la criticité afin d'éviter des divergences de la réaction en chaîne.

Plan de Masurca
Coupe du réacteur MASURCA adapté pour l'expérience MUSE. On distingue les zones du combustible, du réflecteur de neutrons (zone entourant le cœur, constituée d'un mélange de sodium et acier, et l'écran de protection biologique (constitué d'acier - Stainless Steel). La source de neutrons GENEPI couplée au réacteur joue le rôle de l'accélérateur d'un système hybride. Pour produire des neutrons, on utilise la réaction de fusion deutérium-tritium en bombardant par un faisceau de deutérium une cible contenant du tritium.
LPSC-Grenoble
Une mesure des neutrons retardés par l'expérience MUSE

Une expérience effectuée par le laboratoire de physique des réacteurs du LPSC Grenoble sur le réacteur MASURCA du CEA à Cadarache, a permis de mesurer le taux de neutrons retardés, dans le cadre du programme MUSE (MUltiplication de Source Externe) Le réacteur MASURCA est un réacteur expérimental de faible puissance, rendu sous-critique. Dans un réacteur sous-critique il faut une source externe de neutrons pour produire des fissions.

La source de neutrons, appelée GENEPI (GEnérateur de NEutrons Pulsés de forte Intensité), est couplée au réacteur. Elle injecte sous forme d'impulsions intenses et avec une fréquence élevée des neutrons primaires. Ces neutrons primaires génèrent des fissions qui produisent des neutrons prompts et retardés aussi longtemps que la source est active.

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 primaires ( 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 produire un grand nombre de fissions promptes accompagnées de fissions induites par des neutrons retardés. On réduit alors brutalement la fréquence d'alimentation à 300 Hz ce qui réduit d'autant les fissions promptes.

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

Durant cette seconde phase, les fissions retardées dominent. Les fissions résiduelles sont dues à la décroissance du flux de neutrons retardés que l'on peut ainsi mesurer. 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.

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