Le modérateur de neutrons est un composant qui fait partie des réacteurs nucléaires. La fonction du modérateur est de ralentir les neutrons dans les réactions de fission nucléaire.
Lors des réactions de fission nucléaire, des neutrons entrent en collision avec des atomes d'uranium fissile, provoquant de nouvelles réactions. À chaque réaction de fission, un ou deux neutrons sont libérés à grande vitesse et peuvent entrer en collision avec d'autres atomes et générer une réaction nucléaire en chaîne.
Afin de profiter de l'énergie nucléaire de l'atome, l'objectif est de maintenir une réaction nucléaire en chaîne au sein du réacteur nucléaire. Déplacer les neutrons trop rapidement dans le cœur du réacteur réduit le risque qu'ils entrent en collision avec un autre atome.
L'objectif du modérateur est de réduire cette vitesse et, de cette manière, d'obtenir un meilleur rendement du réacteur.
Les neutrons rapides libérés après une réaction de fission se déplacent à environ 10 % de la vitesse de la lumière. Pour le bon fonctionnement du réacteur, sa vitesse doit être réduite à quelques kilomètres par seconde. Cette vitesse devient équivalente à des températures de l'ordre de quelques centaines de degrés Celsius.
Que fait le modérateur de neutrons à l'intérieur du réacteur ?
Les neutrons, en raison de leur vitesse, ont une grande énergie cinétique. Si un neutron entre en collision avec un atome du matériau utilisé comme modérateur, une partie de son énergie cinétique est transférée à l'atome du modérateur. Les neutrons, perdant de l'énergie cinétique, perdent de la vitesse.
Les éléments chimiques du tableau périodique aptes à remplir la fonction de modérateur sont ceux qui ont une faible masse atomique pour maximiser l'énergie transférée à chaque collision. Il s'agit généralement d'hydrogène, de deutérium (présent dans l'eau lourde) ou de carbone.
Il est important que le modérateur n'absorbe pas les neutrons car nous voulons seulement ralentir. Pour éviter cela, il est important que les matériaux modérateurs aient une faible section efficace de capture.
A un moment donné, il faut pouvoir capter les neutrons pour contrôler la réaction en chaîne. Les barres de contrôle sont utilisées pour cela.
Comment se produit une réaction de fission ?
Dans un réacteur à neutrons thermiques, le noyau atomique d'un élément combustible lourd tel que l'uranium 235 (U-235) absorbe un neutron libre lent. Avec le nouveau neutron, l'atome devient instable et se décompose.
Quel est le résultat d'une réaction de fission nucléaire ?
Dans le processus de fission, la réaction nucléaire produit :
Deux produits de fission
Deux ou trois neutrons libres rapides
Une quantité d'énergie qui se manifeste principalement dans l'énergie cinétique des produits de fission.
Pourquoi les réacteurs nucléaires ont-ils besoin d'un modérateur de neutrons ?
Les réacteurs nucléaires thermiques ont besoin d'un modérateur pour réduire la vitesse des neutrons, car la probabilité qu'un neutron heurte un atome d'uranium-235 diminue avec l'augmentation de la vitesse des neutrons.
Cela explique pourquoi la plupart des réacteurs atomiques alimentés à l'uranium 35 ont besoin d'un modérateur pour maintenir une réaction en chaîne et pourquoi la suppression d'un modérateur peut arrêter un réacteur.
Qu'est-ce que la section efficace de fission ?
La probabilité de nouveaux événements de fission est déterminée par la section efficace de fission. La section efficace de fission est fonction de l'énergie (appelée fonction d'excitation) du neutron qui entre en collision avec un noyau d'uranium-235. Cette section dépend de la vitesse des neutrons incidents.
Différences entre les différents types de réacteurs nucléaires
Dans tous les réacteurs modérés, certains neutrons de tous niveaux d'énergie produiront une fission, y compris des neutrons rapides.
Certains réacteurs sont plus thermiques que d'autres. Par exemple, dans un réacteur CANDU, presque toutes les réactions de fission sont produites par des neutrons thermiques. En revanche, dans un réacteur à eau sous pression (REP), une part considérable des fissions est produite par des neutrons de plus haute énergie.
Dans le réacteur à eau supercritique (SCWR), la proportion de fission rapide peut dépasser 50 %, ce qui est techniquement un réacteur à neutrons rapides.
Réacteurs nucléaires rapides
Un réacteur rapide n'utilise aucun modérateur, mais repose sur la fission produite par des neutrons rapides non modérés.
Dans certaines conceptions, jusqu'à 20 % des fissions peuvent provenir de la fission directe par neutrons rapides de l'uranium-238, un isotope qui n'est pas fissible avec les neutrons thermiques.
