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PRECIS DE NEUTRONIQUE Cette page est laissée intentionnellement en blanc. GENIE

PRECIS DE NEUTRONIQUE Cette page est laissée intentionnellement en blanc. GENIE ATOMIQUE Precis de Neutronique Paul Reuss SCIENCES 17, avenue du Hoggar Pare d'activites de Courtaboeuf, BP 112 91944 Les Ulis Cedex A, France Illustration de couverture : Echelles de modelisation neutronique d'un reacteur a eau sous pression (document CEA / DEN / DM2S / SERMA) Composition sous IM^X : ScripT^X ISBN : 2-86883-637-2 Tous droits de traduction, d'adaptation et de reproduction par tous precedes, reserves pour tous pays. La loi du 11 mars 1957 n'autorisant, aux termes des alineas 2 et 3 de Particle 41, d'une part, que les « copies ou reproductions strictement reservees a I'usage prive du copiste et non destinees a une utilisa- tion collective », et d'autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d'exemple et d'illustration, «toute representation integrale, ou partielle, faite sans le consentement de I'auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite » (alinea 1er de I'article 40). Cette representation ou reproduction, par quelque precede que ce soit, constituerait done une contrefagon sanctionnee par les articles 425 et suivants du code penal. © EDP Sciences 2003 Introduction a la collection « Genie Atomique » Au sein du Commissariat a I'energie atomique (CEA), I'lnstitut national des sciences et techniques nucleaires (INSTN) est un etablissement d'enseignement superieur sous la tutelle du ministere de ('Education nationale et du ministere de ('Industrie. La mission de I'lNSTN est de contribuer a la diffusion des savoir-faire du CEA au travers d'enseignements specialises et de formations continues, tant a I'echelon national, qu'aux plans europeen et international. Cette mission reste centree sur le nucleaire, avec notamment ('organisation d'une for- mation d'ingenieur en « Genie Atomique ». Fort de I'interet que porte le CEA au deve- loppement de ses collaborations avec les universites et les ecoles d'ingenieurs, I'lNSTN a developpe des liens avec des etablissements d'enseignement superieur aboutissant a I'organisation, en co-habilitation, de trente-huit enseignements de 3e cycle (DEA et DESS). A ces formations s'ajoutent les enseignements des disciplines de sante : les specialisations en medecine nucleaire et en radiopharmacie, ainsi qu'une formation destinee aux physi- ciens d'hopitaux. La formation continue constitue un autre volet important des activites de I'lNSTN, lequel s'appuie aussi sur les competences developpees au sein du CEA et chez ses partenaires industriels. Dispense des 1956 au CEA Saclay, ou ont ete baties les premieres piles experimentales, la formation en « Genie Atomique » (GA) Test egalement depuis 1976 a Cadarache ou a ete developpee la filiere des reacteurs a neutrons rapides. Depuis 1958, le GA est enseigne a I'Ecole des applications militaires de I'energie atomique (EAMEA) sous la responsabilite de I'lNSTN. Depuis sa creation, I'lNSTN a diplome plus de 4000 ingenieurs que I'on retrouve aujourd'hui dans les grands groupes ou organismes du secteur nucleaire frangais : CEA, EDF, Framatome, Technicatome, Cogema, Marine nationale. De tres nombreux etudiants etrangers provenant de differents pays ont egalement suivi cette formation. Cette specialisation s'adresse a deux categories d'etudiants : civils et militaires. Les etudiants civils occuperont des postes d'ingenieurs d'etudes ou d'exploitation dans les reacteurs nucleaires, electrogenes ou de recherches, ainsi que dans les installations du cycle du combustible. Us pourront evoluer vers des postes d'experts dans I'analyse du risque nucleaire et de ('evaluation de son impact environnemental. La formation de certains officiers des sous-marins et porte-avions nucleaires frangais est dispensee par I'EAMEA. 2 Introduction a la collection « Genie Atomique » Le corps enseignant est forme par des chercheurs du CEA, des experts de I'lnstitut de radio- protection etde surete nucleaire (IRSN), des ingenieurs de ('Industrie (EDF, AREVA, ...) Les principales matieres sont: la physique nucleaire et la neutronique, la thermohydraulique, les materiaux nucleaires, la mecanique, la protection radiologique, ^instrumentation nucleaire, le fonctionnement et la surete des reacteurs a eau sous pression (REP), les filieres et le cycle du combustible nucleaire. Ces enseignements dispenses sur une duree de six mois sont suivis d'un projet de fin d'etude, veritable prolongement de la formation realise a partir d'un cas industriel concret, se deroulent dans les centres de recherches du CEA, des groupes industriels (EOF, Framatome, Technicatome, etc.) ou a I'etranger (Etats- Unis, Canada, Royaume-Uni, ...) La specificite de cette formation repose sur la large place consacree aux enseignements pratiques realises sur les installations de I'lNSTN (reacteur Ulysse, simulateurs de REP, laboratoires de radiochimie, etc.) Aujourd'hui, en pleine maturite de I'industrie nucleaire, le diplome d'ingenieur en « Genie Atomique » reste sans equivalent dans le systeme educatif frangais et affirme sa vocation : former des ingenieurs qui auront une vision globale et approfondie des sciences et tech- niques mises en ceuvre dans chaque phase de la vie des installations nucleaires, depuis leur conception et leur construction jusqu'a leur exploitation puis leur demantelement. L'INSTN s'est engage a publier I'ensemble des supports de cours dans une collection d'ouvrages destines a devenir des outils de travail pour les etudiants en formation et a faire connaTtre le contenu de cet enseignement dans les etablissements d'enseignement superieur frangais et europeens. Edites par EDP Sciences, acteur particulierement actif et competent dans la diffusion du savoir scientifique, ces ouvrages sont egalement destines a depasser le cadre de I'enseignement pour constituer des outils indispensables aux ingenieurs et techniciens du secteur industriel. Joseph Safieh Responsable general du cours de Genie Atomique Table des matieres AVANT-PROPOS AUTEUR PARTIE 1 • BASES DE PHYSIQUE NEUTRONIQUE CHAPITRE 1 • INTRODUCTION : GENERALITES SUR L'ENERGIE NUCLEAIRE 1.1 Rapide historique 1 .1 .1 La pile de Fermi 1 .1 .2 La conclusion d'une longue histoire... 1 .1 .3 ... et le point de depart d'une formidable aventure 1 .2 Principe d'une centrale nucleaire 1 .3 La fission 1 .4 Principe de la reaction en chaTne 1 .5 Principaux moderateurs et caloporteurs ; filieres de reacteurs 1 .6 Controle-commande des reacteurs 1 .7 Cycle du combustible nucleaire 1 .8 Surete nucleaire et radioprotection 1 .9 Programmes nucleates ; perspectives CHAPITRE 2 • PHYSIQUE NUCLEAIRE A L'USAGE DU NEUTRONICIEN Introduction A. Structure de la matiere et energie de liaison des noyaux 2.1 Structure de la matiere 2.1 .1 Image classique de I'atome 2.1 .2 Elements et isotopes 2.1 .3 Notation des nucleides 2.1 .4 Noyaux stables et instables 2.1 .5 Systematique des noyaux stables 19 21 23 25 25 25 26 28 30 31 32 34 36 37 37 39 43 43 44 44 44 44 45 45 47 4 Table des matieres 2.2 Energie de liaison des noyaux 2.2.1 Defaut de masse et energie de liaison des noyaux 2.2.2 Unites nucleates 2.2.3 Forces nucleates 2.2.4 Modele de la goutte 2.2.5 Nombres magiques et modele en couches 2.2.6 Spinetparite 2.2.7 Niveaux excites des noyaux (etats isomeriques) 2.2.8 Autres modeles nucleates 2.3 Principe de la liberation d'energie nucleaire 2.3.1 Recombinaisons nucleaires 2.3.2 Energie de reaction 2.3.3 Principe de la fusion et de la fission B. Radioactivite 2.4.1 Zones d'instabilites 2.4.2 Principaux types de radioactivite 2.4.3 Loi de la radioactivite 2.4.4 Exemples de decroissances radioactives 2.4.5 Instabilite alpha 2.4.6 Instabilite beta 2.4.7 Instabilite gamma 2.4.8 Filiations radioactives 2.4.9 Equations devolution par radioactivite C. Reactions nucleaires 2.5 Generalites sur les reactions nucleaires 2.5.1 Reactions spontanees et reactions induites 2.5.2 Exemples de reactions nucleaires 2.5.3 Lois de conservation 2.5.4 Section efficace 2.5.5 Section efficace macroscopique 2.6 Reactions par neutrons 2.6.1 Generalites 2.6.2 Diffusions et « vraies » reactions 2.6.3 Principales reactions induites par les neutrons dans les reacteurs 2.6.4 Sections efficaces partielles et additivite des sections efficaces 2.6.5 Allure des sections efficaces neutroniques 2.7 Pourquoi des resonances? 2.7.1 Sections efficaces resonnantes : loi de Breit et Wigner 2.7.2 Sections efficaces resonnantes : aspects statistiques 2.7.3 Sections efficaces dans le domaine thermique 47 47 48 49 49 51 52 52 52 53 53 54 54 57 57 58 59 61 62 63 64 64 64 66 66 66 66 67 68 69 70 70 71 72 72 73 77 80 84 84 Table des matieres 5 2.8 Sources de neutrons 2.8.1 Sources spontanees 2.8.2 Reactions induites par radioactivite 2.8.3 Reactions de fusion 2.8.4 Reactions de spallation D. Fission nucleaire 2.9 Fission spontanee et fission induite 2.9.1 Notion de barriere de fission 2.9.2 Seuils associes a la fission 2.9.3 Influence de la parite 2.9.4 Effets quantiques : effet « tunnel » et effet « anti-tunnel » 2.1 0 Les produits de la fission 2.10.1 Les neutrons 2.10.2 Les fragments de fission 2.10.3 L'energie E. Evaluation et traitement des donnees nucleates de base 2.1 1 Mesures de donnees de base neutroniques 2.11.1 Sources de neutrons 2.1 1 .2 Detection des neutrons 2.1 1 .3 Mesure de la section efficace totale 2.1 1 .4 Mesure des sections efficaces partielles et du nombre de neutrons emis par fission 2.1 1 .5 Mesures integrates 2.12 Evaluation et bibliotheques de donnees nucleates 2.13 Traitement des donnees nucleates pour les codes de neutronique CHAPITRE3 • INTRODUCTION A LA NEUTRONIQUE 3.1 Les interactions neutron-matiere 3.1.1 Sections efficaces (rappels) 3.1 .2 Densite neutronique, flux neutronique, taux de reaction 3.1.3 Notion de flux en phase 3.1.4 Notion de courant 3.1.5 Notion d'opacite 3.1 .6 Premiere approche de uploads/Science et Technologie/ precis-de-neutronique.pdf