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les noyaux lourds bombard s se transforment en un isotope plus lourd en absorbant le ... dans un r acteur d'uranium naturel, admettant qu'il y a n neutrons ... – PowerPoint PPT presentation

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Title: Suite


1
Chapitre 5. Fissions et Fusions Nucléaires
5.1 Fission nucléaire provoquée
  • Suite à la découverte de la radioactivité
    artificielle par les Curie-Jolliots en 1934 avec
    les particules ?, Fermi a décidé de poursuivre la
    recherche dans ce domaine avec des neutrons (plus
    facile dentrer dans les noyaux pour provoquer
    des transformations).
  • Il a produit la radioactivité artificielle dans
    le fluor, laluminium, etc., près de 40 au total.
    Puis finalement, luranium.
  • les noyaux lourds bombardés se transforment en un
    isotope plus lourd en absorbant le neutron, puis
    se désintègrent par la désintégration ?
  • Mais luranium (Z92) était lélément à la fin de
    la table périodique en 1934. Effectivement Fermi
    a créé un nouvel élément avec Z93?
  • En plus il a observé plusieurs composantes de ?
    avec des ? différents
  • le nouvel élément se désintègre dans la voie de ?
    à son tour, donnant naissance ainsi à un élément
    avec Z94.
  • la chaîne de désintégration pourrait encore
    continuer pour produire des éléments
    trans-uraniques
  • une découverte très importante le taux de
    réaction augmente si les neutrons sont filtrés
    par des matériaux hydrogènes (paraffine, eau,
    etc.).
  • Les neutrons sont ralentis efficacement par des
    diffusions élastiques avec les noyaux
    dhydrogène. Ils passent plus de temps dans les
    noyaux de cible, donc ont plus de probabilité
    dêtre capturés.

2
  • Mais ce qui sétait avéré difficile, et
    déconcertant, cétait lidentification des
    éléments transuraniques dans léchantillon
    duranium après lactivation par neutrons. Dans
    la poursuit, O. Hahn et F. Strassmann ont
    découvert un phénomène inattendu la fission
    duranium.
  • Ils ont démontré que parmi les produits de
    réaction il y avait des nuclides ayant les
    propriétés chimiques du baryum, qui a un Z (56)
    loin de celui de luranium, contrairement à ce
    quon attendait dune chaîne de désintégration.
  • La théorie de fission basée sur le modèle de la
    goutte de liquide a été donnée pat L. Meitner et
    O. Frisch, qui a adopté le nom fission de
    biologie. Ils ont en plus prédit quune
    libération dune quantité importante dénergie
    accompagnerait la fission!
  • Il a été aussi observé que dans la fission, un ou
    plusieurs neutrons se trouvent dans létat final,
    indiquant une réaction en chaîne, fait (premier
    réacteur nucléaire) réalisé par Fermi en 1942 à
    Chicago.
  • La fission spontanée duranium a été observée en
    1940 par Flerov et Petrjak. La demi-vie est dans
    lordre de 1014 ans (une fission par minute dans
    un gramme duranium naturel). Le taux de
    désintégration ? duranium est un million de fois
    plus important.
  • Le premier élément trans-uranique, Np (Neptunium,
    Z93) identifié en 1940 par McMillan et Abelson.
    Ensuite une série de découvertes (1940-1950)
    faites par léquipe de Seaborg avec le cyclotron
    à Berkeley Pu (Plutonium), Am (Américium),
    Cm(Curium), Bk(Berkelium), Cf(Californium).

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Phénoménologie de la fission
  • Le phénomène de fission peut être décrit
    qualitativement et quantitativement sur la base
    du modèle de la goutte de liquide
  • Selon le modèle de la goutte de liquide, la forme
    dun noyau est sphérique
  • pour les grands noyaux, la forme sphérique nest
    pas nécessairement très stable. Ils se mettent
    facilement à vaciller.
  • une perturbation externe, tel quun neutron
    incident, pourrait déformer le noyau, par exemple
    lélonger.
  • Si la déformation est suffisamment importante, la
    situation est instable
  • la répulsion de Coulomb entre les deux bouts de
    lélongation peut produire une structure de deux
    lobes, qui accentue encore la répulsion, jusquà
    ce que la goutte initiale soit complètement
    cassée en deux ou même plusieurs gouttelettes ?
    fission
  • Si la déformation nest pas très importante, la
    goutte de liquide pourrait former un état excité
    du noyau composé
  • par la suite se désexcite, par lémission dun
    photon, à létat plus stable de noyau avec A?1

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  • à partir de quel Z les noyaux deviennent
    instables envers la fission ? (au-dessus de cette
    valeur la répulsion coulombienne lemporte sur
    lattraction de force nucléaire)
  • Considérons quune goutte de liquide sphérique de
    rayon R déformée à un ellipsoïde de rotation avec
    deux axes a et b
  • la surface dun ellipsoïde de rotation est

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  • laugmentation de la surface est
  • Le changement de surface entraîne un changement
    dénergie de surface et dénergie de Coulomb.
    Selon le modèle de la goutte de liquide (formule
    de Weizsäcker), les changements sont
  • Lénergie de coulomb est calculée avec la formule
  • on peut aussi obtenir le changement en
    considérant que laugmentation de surface
    équivaut à une transformation
  • la déformation augmente lénergie de surface,
    tandis quelle diminue lénergie de Coulomb. Ces
    deux termes dénergie contribuent négativement à
    lénergie de liaison, donc ils ont des effets
    opposés sur la stabilité du noyau.

Cest le cas pour les noyaux avec Z?114 et
A?270. Ces noyaux se cassent en deux ou plusieurs
aussitôt quils se forment (temps de vie ? 10?12
s), ils ne peuvent donc pas exister dans la nature
6
  • la variation de EL/A en fonction de A montre
    quun processus de fission spontané en 2
    (éventuellement 3) fragments dun noyau lourd est
    en principe énergiquement possible, puisque cette
    valeur est plus petite pour les noyaux lourds
  • exemple simple un noyau lourd de paire-paire se
    fragmente en deux noyaux filles identiques. La
    différence de lénergie de liaison, en négligeant
    les termes de la mécanique quantiques, est
  • ?EL ? 0 à partir de Z2?17.23A la condition où
    les deux noyaux filles sont plus fortement liés
    que le noyau mère

7
  • La condition de Z2?17A est facilement atteinte
    par les noyaux lourds (235U Z2/A36), pourquoi
    ils ne se fissionnent pas tous aux noyaux légers?
  • les deux fragments doivent vaincre le potentiel
    de la répulsion des protons dans les deux parties
    (la barrière de fission)
  • quand les deux fragments sont loin lun de
    lautre, lénergie potentielle est donnée par la
    formule de coulomb
  • à rr0, approximativement lendroit où les deux
    fragments se touchent, la répulsion coulombienne
    est maximale
  • à r?r0, le noyau est déformé mais ne pas encore
    détaché en deux fragments, r est proportionnel au
    paramètre de déformation ?.

I. Pour les noyaux instables sous forme
sphérique (Z2/A?48), lénergie potentielle
décroît en ?2 (r2)
  • II. Pour les noyaux avec Z2/A?48, lénergie
    potentielle croît quadratiquement en r 2
  • Le noyau étant à létat fondamental (E0),
  • la fission nest pas possible classiquement le
    noyau manque une énergie de Ec?E0 (énergie
    dactivation)
  • avec leffet quantique de tunnel, le noyau a une
    probabilité de se fissionner sans lénergie
    dactivation

8
  • La probabilité de pénétrer le barrière est
    extrêmement petite, à cause des grandes masses
    des fragments
  • le temps de vie de fission est lié
    exponentiellement à ?EL (ou Z2/A)
  • Pour les noyaux très lourds (Z?92), lénergie
    dactivation est assez faible (?6 MeV)
  • Si un neutron avec suffisamment dénergie est
    capturé, le noyau composé (A?1) est excité dans
    un état au-dessus de la barrière de fission et le
    noyau se fragmente très rapidement
  • Cest donc une fission provoquée

9
Le cas duranium
  • U naturel se compose de 3 isotopes 238U(99.27),
    235U(0.72), 234U(0.005)
  • En bombardant les noyaux de 235U et de 238U avec
    des neutrons on peut provoquer les fissions de
    236U et de 239U
  • lénergie dactivation calculée 5 MeV pour
    236U, 6 MeV pour 239U
  • expérimentalement pas besoin dutiliser des
    neutrons de 5 MeV et 6 MeV pour provoquer les
    fissions de 235U et de 238U
  • pour 235U, même les neutrons thermiques (Ecin?0)
    suffisent
  • pour 238U, une Ecin de 1.2 MeV des neutrons est
    suffie
  • explication lénergie de liaison du dernier
    neutron Es
  • un noyau avec A absorbe un neutron pour devenir
    un autre avec A?1, relâchant une quantité
    dénergie Es
  • cette énergie réduire lénergie cinétique des
    neutrons nécessaires à exciter le noyau final à
    un état au-dessus de la barrière de fission

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  • En capturant un neutron 235U (pair-impair) se
    transforme à un état excité de 236U (pair-pair ),
    qui est plus fortement lié
  • relâche 6.5 MeV de lénergie (Es 6.5 MeV),
    suffisamment grande pour fournir lénergie
    dactivation pour la fission de 236U (Eb ? 5 MeV)
  • lénergie cinétique du neutron incident na
    aucune importance dans le processus de fission
    même les neutrons thermiques (T ? 300K, kT ? 1/40
    eV) peuvent provoquer la fission dans 235U
  • La situation est au contraire avec 238U
    (pair-pair). La capture dun neutron le
    transforme à 239U (pair-impair), qui est moins
    fortement lié
  • ce processus est moins exo-énergétique Es 4.8
    MeV ? Eb (? 6 MeV)
  • Il faut donc des neutrons de ? 1.2 MeV pour
    provoquer la fission (la fission provoquée par
    neutrons rapides)
  • Nous avons utilisé lexemple de deux fragments de
    fission de masse égale
  • les fragments de fission ont une distribution de
    masses assez asymétrique (ceci réduit la hauteur
    effective de la barrière de coulomb)
  • les masses des noyaux filles tendent à se
    concentrer autour de A?95 et A?140, où se
    trouvent des noyaux avec des couches plus ou
    moins fermées

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  • Puisque les noyaux stables lourds ont un N/Z plus
    important que celui des noyaux légers, les noyaux
    filles de fissions sont trop riches en neutron et
    sont situés hors de la ligne de stabilité
  • Les noyaux filles peuvent se désintégrer par
    émission de ?? successifs pour retourner vers la
    ligne de stabilité
  • Mais lexcès de neutrons est tel que les noyaux
    filles se désintègrent aussi par émission dun ou
    plusieurs neutrons, qui ont une énergie de
    lordre de 1 à 2 MeV (neutrons rapides)
  • Le processus démission de neutron est beaucoup
    plus rapide (10?12 s) que celui démission de ??,
    il est donc dominant. En fait plus 99 de
    neutrons produits dans la fission sont rapides.
  • Pour certains isotopes, 235U par exemple, le
    nombre moyen de neutrons émis par fission (?) est
    plus grand que 1, fait qui permet la réalisation
    dune réaction en chaîne.

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  • Bilan énergétique
  • Une estimation approximative peut être effectuée
    à laide du graphe de EL/A en fonction de A la
    fission est le brisement dun noyau lourd en
    noyaux de moyen poids, qui sont plus fortement
    liés (EL/A plus grand que celui du noyau mère)
  • EL/A ?7.5 MeV pour 235U, ?8.4 MeV pour les
    produits de fission, on obtient une énergie
    libérée de 0.9 MeV par nucléon
  • énergie totale libérée dans une fission de 235U
    est de lordre de 235 ? 0.9 MeV ? 200 MeV 3.2
    ? 10?11 J
  • pour 1 g de 235U, lénergie dégagée par fission
    est
  • 1 tonne de charbon fournit 0.36 MWjour dénergie
  • un facteur de ?3?106 de différence entre
    lénergie fournie par 1 gramme de 235U et par 1
    gramme de charbon.
  • Pourquoi EL/A est faible pour les noyaux lourds?
  • Dans la formule semi-empirique de Weizsäcker, il
    est évident que cest lénergie de coulomb qui
    est responsable
  • les noyaux lourds sont moins fortement liés dû à
    la croissance rapide de la répulsion
    électrostatique entre les protons
  • lénergie de coulomb calculée de deux fragments
    de fission quand ils sont en contact lun avec
    lautre est ? 200 MeV.

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  • Réaction en chaîne
  • Lénergie dégagée dans une fission nucléaire
    est certes énorme
  • Mais ce qui est plus intéressant, du point de vue
    des applications, cest le fait que des neutrons
    sont aussi émis dans une fission
  • En principe, un seul neutron peut provoquer la
    fission de tous les noyaux susceptibles de
    fission dans un échantillon!
  • Si le nombre moyen de neutrons émis par fission ?
    ? 1, le processus de la réaction en chaîne est
    extrêmement rapide
  • pour ? 2, le nombre de fissions double dans
    chaque génération. Dans 80 générations il y
    aurait 1024 neutrons présents pour déclencher 235
    grammes de 235U (en fait ? 2.5 pour 235U).
  • Le temps pour une capture de neutron de 235U est
    ? 10?8 sec
  • dans 10?6 s, ?235 MWjour (?5000 tonnes de T.N.T)
    est relâché !
  • Dans la pratique, la réaction en chaîne est plus
    complexe. Le déroulement dépend de

1) les énergies des neutrons émis dans la fission
2) la section efficace de fission 3) dautres
voies de réactions du noyau combustible 4)
labsorption et diffusion (ralentissement) des
neutrons par des noyaux non combustibles 5)
léchappement des neutrons, etc.
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  • Le résultat net de ces effets peut être
    représenté par le facteur de multiplication (k),
    qui est le facteur par lequel le nombre de
    neutrons augmente lors de chaque génération
  • condition de criticité
  • 1) k ? 1, le processus est sous-critique (?
    ? 0)
  • le nombre de neutrons décroît la chaîne de
    réaction sarrête finalement
  • 2) k 1, le processus est critique.
    (? 0)
  • le nombre de neutrons reste constant après chaque
    génération de fission. Le taux de fission, donc
    le taux dénergie libéré, est continu et
    constant. Cest la condition de travail dune
    centrale nucléaire.
  • 3) k ? 1, le processus est sur-critique. (?
    ? 0)
  • de plus en plus de neutrons sont produits dans
    chaque génération de fission et lénergie
    relâchée monte très rapidement et l'on a, pour
    résultat, une explosion incontrôlable (bombe
    nucléaire)
  • la réactivité ? (k?1)/k mesure la déviation
    de létat critique

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  • isotopes fissiles et fertiles
  • Lapplication de la fission nucléaire comme
    une source dénergie utilisable se tient dans la
    disponibilité de la matière combustible, et la
    maîtrise de la réaction en chaîne sous condition
    critique (k ? 1).
  • nous avons vu quil existe 2 types de fissions
    provoquées provoquée par neutrons thermiques et
    provoquée par neutrons rapides
  • un isotope avec lequel une fission provoquée par
    neutrons thermiques est possible, est appelé un
    isotope fissile
  • les isotopes que lon peut utiliser pour produire
    des isotopes fissiles artificiels sont appelés
    isotopes fertiles
  • Pour engendrer une réaction en chaîne, les
    fissions provoquées par neutrons thermiques sont
    nécessaires
  • les neutrons émis dans les fissions sont ralentis
    très rapidement en-dessous du seuil et la chaîne
    va sarrêter sil ny a pas de matières fissiles
    dans léchantillon
  • la section efficace de fissions thermiques est
    beaucoup plus grande
  • Il nexiste quun seul isotope fissile naturel,
    235U, et il est très rare (0.07 duranium
    naturel), fort heureusement!

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  • La section efficace du 235U pour la fission
    provoquée par des neutrons thermiques suit la loi
    1/v
  • plus la vitesse est petite, plus le temps de
    séjours du neutron dans le noyau de cible est
    grand et plus la probabilité de réaction est
    grande
  • 238U (isotope dominant naturel) a un seuil de
    fission 1.4 MeV. Il nest pas fissile (mais
    fertile)
  • La section efficace de fissions est ?1000 fois
    plus petit que la fission thermique de 235U
  • des très fortes résonances dabsorption dans la
    région 8 à 200eV pour les réactions (n, ?) ne
    conduisant pas à la fission
  • Artificiellement on peut produire des isotopes
    fissiles par transmutations neutroniques. Les
    isotopes fissiles artificiels les plus connus
    sont 239Pu et 233U

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  • Ralentissement des neutrons et le cycle des
    neutrons
  • Les neutrons émis dans les fissions ont une
    énergie de quelques MeV. Pour quune réaction en
    chaîne de fissions thermiques soit possible, il
    faut ralentir les neutrons
  • léquipe de Fermi a découvert que le
    ralentissement des neutrons avec des matières
    riches en hydrogène augmentait fortement la
    section efficace de fission
  • cest aussi Fermi qui a réalisé la première
    réaction en chaîne, en utilisant le graphite
    comme modérateur (ralentisseur des neutrons)
  • Considérons le cycle des neutrons dans un
    réacteur duranium naturel, admettant quil y a n
    neutrons rapides (? 2MeV) dans le système

1) quelques-uns des neutrons provoquent la
fission rapide dans 238U et 235U, augmentant le
nombre de neutrons dun facteur ? ? 1.03
2) parmi les n? neutrons, certains sont absorbés
par 238U. La probabilité déchapper labsorption
est p, qui est lié à la proportion relative
duranium et modérateur. Typiquement p ? 0.9
3) les n?p neutrons sont ralentis par le
modérateur, qui absorbe aussi une fraction des
neutrons. La fraction des neutrons qui ne sont
pas absorbées par le modérateur, f, est donc
absorbés par 235U et peut provoquer la fission
thermique. Typiquement f ?0.9
4) chacun de n?pf neutrons thermiques produit par
fission ? neutrons rapides en moyenne (? ?1.33)
18
  • Le facteur de multiplication à chaque génération
    est
  • cette valeur est théorique puisquune fraction de
    neutrons va sortir du réacteur qui ne peut pas
    avoir une dimension infinie. Il faut donc ajouter
    la fraction de neutrons qui ne sortent pas du
    réacteur
  • Pour tenir la réaction en chaîne, il faut
    optimiser le ratio U/modérateur
  • si cette proportion augmente, il y a plus de
    matière fissile, donc f ?
  • mais il y a moins de modérateur pour ralentir les
    neutrons rapides avant quils ne soient absorbés
    par 238U, donc p ?
  • Pour un système donné, il faut trouver la juste
    proportion pour obtenir la valeur la plus grande
    possible de pf
  • La taille minimum du système pour avoir un keff
    1 est la taille critique
  • La structure géométrique du système du réacteur
    est importante. Le calcul théorique, confirmé par
    observation expérimentale, montre que jusquà un
    certain degré, la configuration en block de
    luranium, comparé à le dispersant en forme de
    simple atome ou de petits morceaux, donne un plus
    grand p avec une faible perte en f. Cest un
    effet décran.
  • Le premier réacteur qui atteint la criticité fut
    construit avec des briques duranium et de
    graphite, empilées lune sur lautre. Il est
    contrôlé par des barres de cadmium, qui a une
    forte section efficace dabsorption de neutrons

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  • Contrôle de la réaction en chaîne
  • Puisque la chaîne de réaction se développe
    extrêmement rapidement, on pourrait se demander
    si un moyen de contrôle mécanique, ou même
    automatique, est assez rapide pour la maîtriser.
  • Si ? est le temps qui sépare en moyenne une
    génération de neutrons de la suivante, le nombre
    de neutrons (donc la puissance du réacteur) suit
    une loi exponentielle
  • le temps de doublement est
  • En générale, ? est très court 10?3 à 10?4s pour
    un réacteur à neutrons thermiques.T serait donc
    très bref même pour une réactivité faible.
  • exemple (keff?1) ? 10?3 et ? ?10?4 s ?T ?
    0.07s
  • n/n0 ? 2 104 en une seconde!
  • Or, dans un réacteur critique, des variations
    rapides de réactivité peuvent survenir pour des
    raisons variées, comme en particulier celles qui
    sont liées aux effets de température.
  • Réagir pour contrôler le réacteur en cette
    échelle du temps avec des moyens mécaniques
    poserait effectivement des problèmes très
    délicats.
  • heureusement, aux neutrons produits au moment de
    la fission sajoutent des neutrons retardés

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  • neutrons retardés
  • 99 des neutrons rapides produits dans la
    fission sont émis dans 10?12 s suite à la
    fission. Les restes (? 0.75) sont issus des
    émissions de neutrons des noyaux filles après des
    désintégrations ?? de plusieurs générations. Ces
    neutrons apparaissent avec un retard plus lent,
    1/10s à minutes.
  • les neutrons retardés ont un effet stabilisateur
    important. Si la fraction de neutrons retardés
    est ?, on peut écrire le facteur de
    multiplication comme
  • pour 235U, ? ? 0.0075, la condition de réaction
    en chaîne par neutrons retardés limite keff à
    1/(1? ?) ?1.0075.
  • On utilise les barres de contrôle composées
    dun matériel très absorbant pour les neutrons,
    tel le bore et le cadmium. Ces barres permettent
    également déquilibrer les variations lentes de
    réactivité dues au changement de composition du
    combustible.
  • La probabilité quun réacteur sexplose est
    minime. Si la réaction en chaîne devient hors de
    control, la chaleur générée devient excessive et
    le réacteur séclate en morceaux. Chaque morceau
    étant sous-critique, la chaîne sarrête. Pourtant
    le danger de radiation est très grand à cause de
    lincendie et la fuite de la matière radioactive.

21
  • Réacteurs nucléaires
  • Il a y de nombreux types de réacteurs, on peut
    les classifier selon leurs applications, leurs
    combustibles et la vitesse des neutrons qui
    maintient la chaîne de fission, etc.
  • Selon application réacteur de recherche,
    réacteur commercial pour génération
    délectricité, réacteur pour production de
    matériel fissile (breeder reactor), réacteur
    pour propulsion (sous-marin, porte-avion),
  • Selon combustible uranium naturel, uranium
    enrichi de 235U, uranium enrichi de plutonium,
  • Selon la vitesse de neutrons réacteur thermique
    (avec modérateur), réacteur rapide (sans
    modérateur)
  • Selon le type de modérateur eau (léger), eau
    lourde, graphite,
  • Selon le type de caloporteur (coolant) eau
    (léger), eau lourde, gaz (hélium), métal liquide
    (Na),

22
  • Réacteurs à neutron rapide
  • La présence de la matière fissile est toujours
    nécessaire. Mais au lieu de ralentir les neutrons
    pour profiter la forte section efficace de
    fission avec les neutrons thermiques, on utilise
    une fraction de neutron pour produire plus de
    matière fissile qui contribue à soutenir la
    réaction en chaîne.
  • Deux types de réacteurs rapides existent, un avec
    238U comme matière fertile, lautre avec 232Th
  • Dans un réacteur à neutrons rapides avec
    plutonium, il y a typiquement 80 238U et 20
    239Pu à lintérieur, le tout entouré par un
    manteau de 238U.
  • Environ 3 neutrons sont émis dans une fission de
    239Pu, un pour la continuation de la réaction en
    chaîne, deux autres pour produire plus de 239Pu
    et pour compenser la perte par labsorption et la
    fuite.

23
  • En général, si ? neutrons sont libérés en moyenne
    par fission, et P neutrons sont perdus, on peut
    définir le taux de conversion C pour une
    génération
  • Un réacteur avec C ?1 produit davantage de
    matière fissile quil nen utilise. La matière
    fissile peut ainsi être utilisée pour dautres
    buts, par exemple dans les armes nucléaires. Ce
    type de réacteurs est des surgénérateurs
    (breeder). Il faut avoir un ? considérablement
    au-dessus de 2 pour que C ? 1 soit possible.
  • Le plutonium est le plus approprié pour ce but.
    Il est possible datteindre C 1.4 et un temps
    de doublement de plutonium de 10 ans
  • Lusage duranium est beaucoup plus efficace dans
    un réacteur rapide, près de ?50 au lieu de 0.07
    dans un réacteur thermique. Cest un avantage
    quand le prix de luranium est élevé. De plus, la
    réserve duranium sur terre nest pas
    inépuisable.
  • Mais les réacteurs rapides sont plus chers à
    construire et à opérer, la densité de puissance y
    étant beaucoup plus importante que dans un
    réacteur thermique. Il faut donc utiliser un
    caloporteur qui est efficace, et en même temps
    qui ne ralenti pas les neutrons. Le plus souvent
    utilisé est le sodium liquide.

24
Réacteurs à eau pressurisée (PWR)
Beznau I (1969) et II (1971), Gösgen (1979)
Réacteurs à eau bouillante (BWR)
Muhleberg (1971), Leibstadt (1984)
25
(No Transcript)
26
Crocus à EPFL
27
(No Transcript)
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  • La situation mondiale des centrales nucléaires en
    avril 2011
  • 443 en opération, capacité totale 375.374 GW
  • 64 en construction

http//www.iaea.org/programmes/a2/
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Proportion de génération délectricité par
centrales nucléaires en 2009
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Ages des centrales nucléaires en 2011
31
Centrales nucléaires en construction en 2011
32
Types des centrales nucléaires en opération et en
construction en 2010
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5.2 Fusion nucléaire
  • La libération dénergie dans une fission est liée
    au fait que lénergie de liaison par nucléon EL/A
    est plus petite pour les noyaux lourds que pour
    les noyaux légers
  • Le EL/A montre un maximum pour les noyaux moyens.
    Les noyaux très légers, sauf ceux de nombres
    magiques, sont moins fortement liés que les
    noyaux moyens.
  • Par le même raisonnement que la fission, une
    certaine quantité dénergie devrait être libérée
    si deux noyaux très légers sont forgées en un
    noyau moyen. Ce processus est la fusion nucléaire.
  • Lénergie libérée par nucléon dans une fusion est
    comparable à celle dans une fission. Pourtant,
    puisque le nombre de nucléons contenus dans les
    noyaux légers est moins nombreux, lénergie
    totale dégagée par fusion est moins importante,
    mais elle peut être plus en unité de poids.
  • La génération dénergie est une alternative très
    attractive par rapport à la fission
  • les noyaux légers et stables sont beaucoup plus
    abondants que les noyaux très lourds
  • pas de déchets nucléaires
  • En effet, la fusion est le mécanisme responsable
    pour la génération dénergie dans le soleil et
    les étoiles.

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  • Quelques exemples de fusions intéressantes du
    point de vue de lapplication dénergie

comparé à ?23000 kWh/g pour la fission
  • Bien que ces réactions soient toutes
    exo-énergétiques (Q?0), il ne suffit pas damener
    simplement les deux noyaux assez près lun de
    lautre pour que la fusion puisse avoir lieu.
  • Il faut en fait donner aux noyaux initiaux une
    énergie cinétique leur permettant de franchir la
    barrière coulombienne entre deux noyaux.

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  • La valeur de lénergie répulsive de Coulomb est à
    son maximum quand les deux noyaux juste se
    touchent, il est

où Z et Z? sont les nombres atomiques de deux
noyaux, et R et R? sont leurs rayons respectifs.
Rappelons que , on a donc
  • où A et A? sont les nombres de nucléons de deux
    noyaux, et l'on a pris A A? 2Z 2Z? pour
    la dernière expression
  • la barrière entre deux noyaux de A 8 est
    denviron 4 MeV.
  • pour démarrer une fusion, il faut fournir les
    énergies cinétiques de lordre de MeV.
  • Un moyen de faire fusionner les noyaux légers qui
    paraît naturel serait de les faire entrer en
    collision à laide dun accélérateur.
  • Pourtant cela ne marche pas car la plupart des
    noyaux se diffusent élastiquement et peu de
    fusions peuvent être induites. Ce nest donc pas
    un moyen rentable énergétiquement.
  • Une alternative serait de chauffer les noyaux à
    une température telle que lénergie cinétique due
    au mouvement thermique serait suffisante à
    provoquer une fusion

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  • Admettons que chaque noyau doit avoir une énergie
    cinétique de 2 MeV pour vaincre une barrière de
    Coulomb de 4 MeV, on peut estimer à quelle
    température il faut chauffer les noyaux.
  • Selon kT E, où k 8.62?10?5 (eV ºK?1) est la
    constante de Boltzmann, on a
  • une température pratiquement inatteignable sur
    terre!
  • à cette température, les électrons atomiques sont
    détachés des noyaux et les noyaux et les
    électrons libres forment un plasma.
  • Fusions dans les étoiles
  • Lorsquune étoile se forme, lénergie libérée
    par la contraction gravitationnelle chauffe le
    gaz riche en hydrogène jusquà ce quelle
    devienne un plasma.
  • le plasma est confiné au centre de létoile grâce
    à la gravitation de lénorme masse dune étoile
    (1030 kg pour le soleil)
  • dès que la température est suffisante,
    différentes fusions nucléaires deviennent
    possibles. La première est la fusion de deux
    protons
  • La barrière Coulomb est 700 keV, T 4?109 ºK
  • pourtant la température du centre du soleil est
    107 ºK
  • une partie des protons atteint lénergie
    nécessaire pour la fusion grâce à la queue de la
    distribution Maxwellienne (le nombre des atomes
    dhydrogènes dans dans le soleil 1056)

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  • La fusion ne sarrête pas là . Elle poursuit le
    cycle proton-proton
  • à la fin dun cycle p-p, effectivement quatre
    noyaux dhydrogène sont brûlés pour obtenir

ou
  • les positrons sannihilent avec les électrons
    dans le plasma, augmentant encore un peu
    lénergie totale libérée
  • Un autre cycle important dans les étoiles est
    celui du carbone, ou CNO.
  • Lhélium produit dans le cycle p-p peut produire
    le carbone par la fusion

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  • Dans les étoiles suffisamment massives, après
    épuisement d une source dénergie, il y a une
    nouvelle contraction gravitationnelle qui
    augmente la température et permet des fusions des
    noyaux plus lourds.
  • Après lépuisement dhydrogène, la fusion
    dhélium commence, qui produit le carbone et
    loxygène.
  • Puis la fusion de carbone qui produit les
    nuclides dun A entre 20 et 32 (Ne, Na, Mg, etc.)
    et la fusion doxygène produisant les nuclides
    dun A entre 32 et 42 (Si, P, S, etc.).
  • Les éléments encore plus lourds sont produits par
    les réactions nucléaires (photon-production,
    capture ?, capture neutron, etc.).
  • Cest le processus de nucléosynthèse

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  • Fusions contrôlées
  • Des fusions non-contrôlées ont déjà été
    réalisées sur terre (les bombes
    thermonucléaires). Mais on n'a pas encore réalisé
    un réacteur à fusion contrôlée qui produit,
    continuellement, plus dénergie quil nen
    consomme- à échelle industrielle.
  • La température pour la fusion proton-proton est
    4?109 ºK, est encore inatteignable dans un
    réacteur sur terre.
  • Il faut donc trouver des fusions où les barrières
    de Coulomb sont beaucoup moins importantes que
    celle de (p, p) ?les isotopes lourds dhydrogène
    le deutérium et le tritium
  • quand deux noyaux de ces isotopes sapprochent,
    les protons dans les noyaux se sont repoussés
    vers les extrémités, et la barrière de Coulomb au
    point de contact est ainsi réduite à un ordre de
    grandeur moins que dans le cas de deux protons.
  • Les fusions les plus favorables sont
  • Ces réactions sont déjà réalisées en laboratoire
  • la fusion (d, t) est intéressante parce quelle a
    un meilleur rendement dénergie, et aussi une
    température dignition plus basse

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  • Deutérium existe dans leau normale, avec une
    concentration ?1/6000, sa réserve est donc
    quasiment illimitée
  • Par contre tritium est radioactif, avec une
    demi-vie denviron 12 ans, il faut donc le
    produire. On peut le produire dans un réacteur à
    fission par les réactions auxiliaires en mettant
    lithium dans le manteau dabsorption
  • les réserves mondiales de Li sont très importantes
  • Une fois que la technique de production dénergie
    par fusion sera maîtrisée, on pourrait avoir une
    source dénergie qui dure des millions dannées!
    Et le problème des déchets radioactifs serait
    moins important quavec les réacteurs à fission.
  • Le critère de Lawson
  • Cest la condition qui doit être satisfaite
    pour quun réacteur à fusion fonctionnant avec la
    réaction (d, t) ou (d, d) fournisse plus
    dénergie quil nen consomme (pour le chauffage
    initial et le confinement, etc.).
  • dans un plasma à température T en équilibre
    thermodynamique, les densités de deux noyaux de
    réaction sont n1 et n2, par la thermodynamique le
    taux de fusion par unité de volume est
  • où v est la vitesse relative de noyau 1 et 2, et
    ? est la section efficace différentielle de
    fusion en fonction de v
  • ? peut être calculé à laide de la théorie de
    Gamov
  • la moyenne de v? est sur la distribution de
    Maxwell-Boltzmann

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  • Si lon arrive à garder le plasma sous la
    condition de fusion pendant un temps ? (temps de
    confinement), lénergie de fusion libérée par
    unité de volume est
  • où Q est lénergie libérée par réaction, eg. ?18
    MeV pour la fusion (d,t)
  • Le réacteur serait rentable du point de vue
    dénergie si E excède lénergie par unité de
    volume utilisé pour chauffer le plasma, Ein, qui
    est égal à lénergie cinétique totale des
    particules dans le plasma, y compris les
    électrons et les noyaux
  • la condition pour une rentabilité positive
    (critère de Lawson) est
  • en pratique le plasma perd aussi une partie
    dénergie par rayonnement de bremsstrahlung et
    par la fuite de particules

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  • Les réacteurs à fusion
  • Les fusions de (d, d) et (d, t) sont déjà
    réalisées en laboratoire. Mais pour quune
    production dénergie avec fusion à grande échelle
    soit possible, il faut dabord surmonter un
    obstacle majeur le confinement du plasma chaud.
  • Il faut un mécanisme de confinement qui maintient
    le plasma ensemble mais éloigné des parois
    (aucune paroi matérielle ne pourrait supporter
    des températures de lordre de 106 à 109 ºK).
  • Ce mécanisme doit maintenir le plasma dans des
    conditions propices pour la fusion (température,
    densité) pendant un laps de temps suffisamment
    long (le maintien en continu de telles
    conditions, dans des réacteurs à fusion, est peu
    probable).
  • Deux méthodes de confinement sont actuellement en
    développement le confinement magnétique et le
    confinement inertiel.
  • En principe on peut confiner le plasma dans un
    champ magnétique indéfiniment.
  • En pratique il est très difficile de garder les
    particules sous condition de fusion pour
    longtemps, à cause de toutes sortes
    dinstabilités.
  • Le système de confinement magnétique le plus
    prometteur aujourdhui est le Tokamak (champs
    toroïdal), inventé par les physiciens russes
    (Tamm et Sakharov) dans les années 1960.
    Actuellement on arrive à confiner le plasma pour
    quelques secondes dans un Tokamak.

43
1970
1960
1980
JET 1990 -http//www.jet.efda.org
44
ITER (500 MW, 500s) 2016, Cadarache, France
(http//www.iter.org) (Première centrale
commercial 2045)
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(No Transcript)
46
Central délectricité à Fusion
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  • Confinement inertiel
  • Dans un confinement inertiel, une capsule
    minuscule (? 1mm de rayon) de combustible
    (deutérium et tritium) est compressée jusquà
    mille fois la densité normale. Ainsi la
    température augmente jusquà la fusion est
    déclenchée et une explosion sensuit, comme une
    sorte de mini-bombe dhydrogène.
  • La compression est faite par une couche
    déléments de grand Z à la surface du capsule qui
    implose quand des lasers (ou des faisceaux de
    particules) puissants déposent une grande
    quantité dénergie (105 J) en 10?10 s. Il
    nécessite donc un éclat de puissance de 1015 W.
    Actuellement la puissance de 1014 W est atteinte.

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National Ignition Facility à Lawrence Livermore
  • 192 lasers sur un holhraum de r1 cm
  • Puissance 5x105 GW, 20ns
  • "indirect drive chauffer le capsule contenant
    150 mg D-T par des rayons X
  • 108 ºC, 100 densité de plomb
  • But ignition dans les prochaines années
  • Gain de 10-100 fois dénergie

capsule
Hohlraum dor
system de 20 lasers (1978) de 104 GW
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