Les neutrons lents favorisent la fission
On appelle « neutrons lents » les neutrons ralentis par une série de collisions sur des noyaux. Leur énergie cinétique est de l’ordre de l’électronvolt (eV) ou d’une fraction d’électronvolt. Quand l’énergie des neutrons est de l’ordre de celle des atomes du milieu où il évolue, les neutrons sont dits thermiques.
Qualifier ces neutrons de “lents” est trompeur : toutes les particules vont très vite à l’échelle humaine. La vitesse d’un neutron thermique de 0,025 eV est de 2,2 km/sec. C’est l’énergie plus que la vitesse qui est significative.
Probabilité de fission de l’uranium-235
La probabilité de fission – appelée section efficace par les physiciens – varie avec l’énergie des neutrons. Elle est mesurée en barns. Pour un noyau comme l’uranium-235, cette probabilité de fission est élevée pour de faibles énergies cinétiques de l’ordre de quelques électronvolts. Comme la proportion d’uranium-235 n’est que du pourcent ou de quelques pourcents dans la plupart des réacteurs, il faut pour compenser cette faible teneur des probabilités de fission élevée de l’uranium-235, donc un flux de neutrons lents.
© IN2P3
Les neutrons lents permettent de faire fonctionner des réacteurs à l’uranium naturel ou légèrement enrichis en uranium-235 fissile comme les réacteurs REP. La probabilité de fission d’un noyau d’uranium-235 par un neutron thermique de 0,025 eV est de 584 barns. Cette valeur est très élevée comparée à la probabilité de capture – sans fission – par un noyau d’uranium-238 qui est de l’ordre de 2 barns.
Pour faire fonctionner les réacteurs qui constituent pratiquement tout le parc actuel, il faut ralentir les neutrons rapides issus de la fission, par une suite de collisions dans un milieu appelé modérateur. Dans les réacteurs à uranium naturel, très pauvre en isotope 235, on utilise un modérateur performant qui capture très peu de neutrons : eau lourde ou graphite très pur. Avec des combustibles légèrement enrichis, on peut se contenter d’employer comme modérateur de l’eau ordinaire bouillante ou sous pression (Cette eau sert aussi à évacuer la chaleur du cœur du réacteur).
Du fait qu’ils n’apportent pas l’appoint d’une énergie cinétique importante, les neutrons lents peuvent seulement fissionner une poignée de noyaux réputés fissiles : l’uranium-235 (le seul à exister à l’état naturel), le plutonium-239 et l’uranium-233.
Ces neutrons lents possèdent une grande probabilité (appelée section efficace de fission) d’être capturés par un noyau, puis de donner ensuite une fission. Tout se passe comme si les neutrons lents voyaient ces noyaux d’uranium-235 beaucoup plus gros qu’ils ne sont alors que les probabilités concurrentes de capture sans fission dans les noyaux d’uranium-238 majoritaires restent beaucoup plus faibles. Il devient alors possible, avec un bon modérateur, d’obtenir une réaction en chaîne avec des combustibles pauvres (0,7%) ou légèrement enrichis (3 à 5 %) en uranium fissile.
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