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Sources de rayonnements

Fission et Fusion

jour 4 – Leçon 2

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Objectif

Discuter les réactions de la fission et la fusion et le concept de criticité

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Contenu

• Réaction de Fission • Produits de Fission et élément

transuraniens • Criticité et Contrôle de la Fission• Réaction de Fusion • Combustibles de Fission • Avantages et inconvénients de la Fusion

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Fission

gammaNeutron libre

Fragmentde fission

Fragment de fission

Neutron libre

béta

alpha

énergie

noyau

Neutron libre

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Fission

Exemples de réactions de fission:

235U + n 141Ba + 92Kr + 3n + 170 MeV

235U + n 94Zr + 139La + 3n + 197 MeV

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Fission

Suit la capture de neutrons

Fission de neutrons Thermiques 233U, 235U, 239Pu qui ont un nombre impaire de neutrons

Pour les isotopes qui ont le même nombre de neutrons, le neutron incident doit avoir une énergie supérieure à environ 1 MeV

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Fission

Section efficace des neutrons pour la fission de l’U et le Pu

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Fission

Type de Neutron /Titre Energie (eV)

Neutrons froids 0 < 0.025

Neutrons thermiques 0.025

Neutrons Epithermiques 0.025 < 0.4

Neutrons du Cadmium 0.4 < 0.6

Neutrons Epicadmium 0.6 < 1

Neutrons lents 1 < 10

Neutrons Resonance 10 < 300

Neutrons Intermediaires 300 < 1,000,000

Neutrons rapides 1,000,000 < 20,000,000

Neutrons Relativistes >20,000,000

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Fission

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Produits de fission et

transuraniens de capture de

neutron

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Fission

Source d’énergie libérée pendant la fission:

Energie cinétique des fragments de fission Rayons Gamma Energie cinétique des neutrons émis

Prompts Différés

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Criticité

Les neutrons éjectés lors de la fission égal

les neutrons produisant plusieurs fissions+ neutrons absorbés + les neutrons perdus du système

La Criticité est constante si l'équilibre existe. Le taux de fission (puissance) peut être modifié en faisant varier le nombre de neutrons absorbés et / ou commander le nombre perdu

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Criticité

Facteur de Multiplication

Keff =Nf+1

Nf

Nf+1 est le nombre de neutrons produits dans“f+1” générations par Nf neutrons de la future génération “f”

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Criticité

Sous-Critique (keff < 1) – plus de neutrons perdus

par fuite de système et/ou par absorption sans fission par des impuretés ou des "poisons" produits par la fission

Critique (keff = 1) – un neutron par fission valable pour créer une autre fission

Sur-Critique (keff > 1) – le taux de production des neutrons de fission dépasse le taux de perte

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Criticité

Keff dépend de la disponibilité de neutrons

avec l'énergie nécessaire et la disponibilité des atomes fissiles

En conséquence, keff dépend de la composition, la disposition et la taille de la matière fissile

Si le montage est infiniment large, pas de perte de neutrons et Keff = L x k , où L est la probabilité de non fuite et K dépend de 4 facteurs

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Fission

Control de Fission

La Fission typiquement libère 2 à 3 neutrons (2.5 en moyenne)

Un est nécessaire pour entretenir la réaction en chaîne à un niveau stable de criticité contrôlée

L'autre 1,5 fuit de la région du cœur ou absorbé dans des réactions de non fission

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Fission

Control de Fission

Le bore ou le cadmium des barres de commande absorbent des neutrons

Quand les barres de commande sont légèrement retirées, le nombre de neutrons disponibles pour la fission dépassent l’unité, le niveau de puissance augmente

Lorsque la puissance atteint le niveau désiré, les barres de commande sont ramenées en position critique

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Fission

Control de Fission

Les neutrons de fission sont initialement rapides (énergie sup. à 1 MeV)

La fission de 235U est plus facilement provoquée par les neutrons lents (énergie d’environ 0.02 eV)

Le modérateur ralenti les neutrons rapides par collisions élastiques

Pour l’U naturel (non enrichi) seul le graphite et l’eau "lourde“ sont des modérateurs appropriés

Pour l’U enrichi « léger » l’eau légère peut être utilisée

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Fission

Control de Fission Le combustible accumule progressivement des produits

de fission et transuraniens qui augmentent l'absorption des neutrons (le système de contrôle doit compenser)

Après environ trois ans, le combustible est remplacé en raison de:

- L’accumulation dans l'absorption - changements métallurgiques par les bombardements constants des neutrons

Le burn-up (taux de combustion) effectivement limité à environ la moitié de la matière fissile

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Fission - Résumé

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En 1920, Arthur Eddington suggère que l'énergie du soleil et des étoiles était un produit de la fusion d'atomes d'hydrogène en hélium

Dans le cœur du soleil, à des températures de 10 à 15 millions de degrés Celsius, l'hydrogène est transformé en hélium

Depuis les années 1950, de grands progrès ont été faits dans la recherche sur la fusion nucléaire, cependant, la seule application pratique de la technologie de fusion à ce jour a été l’hydrogène ou bombe thermonucléaire

Fusion

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La fusion a un potentiel quasi illimité

Les isotopes de l'hydrogène dans 1 gallon d'eau ont l'équivalent de l'énergie de fusion de 300 galons d'essence

Une centrale de fusion n’aurait pas d'émissions de gaz à effet de serre et ne génère pas de déchets radioactifs de haute activité

Les experts prédisent qu’il faut attendre au moins une cinquantaine d’années  et l’investissement de plusieurs billions de dollars pour générer de l’électricité à partir d’un réacteur à fusion thermonucléaire  et ceci en raison de la taille énorme et la complexité d’un tel  réacteur

Fusion

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Les atomes d'hydrogène fusionnés pour créer l'hélium

La masse de l'hélium est légèrement inférieure (1%) à la masse d'origine tenant en considération la différence générée en tant qu’énergie dégagée en continue

Au lieu d’utiliser les atomes d’hydrogène, il est plus facile de favoriser la fusion à l'aide de deux isotopes d'hydrogène, deutérium et tritium,

Le deutérium est un isotope d’hydrogène généré

naturellement qui a un neutron supplémentaire

Un atome d’hydrogène sur 6700 devient le deutérium et peut être soustrait du reste

Fusion

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Fusion

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Le Tritium est très rare, car il est naturellement radioactif et se désintègre rapidement

Le tritium peut être obtenu en bombardant le lithium naturel avec des neutrons

Le tritium peut être créé en ayant un "matelas" fait de lithium entourant un récipient de confinement de fusion (cela se traduirait par un réacteur surgénérateur)

La fusion ne peut se faire qu’à des températures typiques du centre des étoiles, (de l'ordre de 100 millions de degrés Celsius)

Fusion

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Le deutérium peut être extrait de l'eau (Si toute l'électricité du monde a été fournie par la fusion, le deutérium devait durer des millions d'années)

Le tritium ne se produit pas naturellement et sera fabriqué à partir de lithium à l'intérieur d’une machine

Lithium, le métal le plus léger, est abondant dans la croûte terrestre (si toute l'électricité du monde devait être fournie par la fusion, les réserves connues vont durer au moins 1000 ans)

Même si la fusion se produit entre le deutérium et le tritium, les consommables sont deutérium et lithium

Combustibles de Fusion

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Par exemple, 10 grammes de deutérium qui peuvent être extraits à partir de 500 litres d'eau et 15 g de tritium produits à partir de 30 g de lithium produiraient assez de combustible pour les besoins en électricité de la durée de vie d'une personne moyenne dans un pays industrialisé

Combustibles de Fusion

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Un réacteur de fusion capable de produire 1000 MW d'électricité serait très large et complexe

Alors que les réacteurs de fission peuvent être assez petits pour être utilisé dans des sous-marins ou des satellites, la taille minimale d'un réacteur de fusion serait similaire à celle des plus grandes centrales nucléaires commerciales d'aujourd'hui

La partie la plus difficile est de créer une réaction de fusion durable - la capture de l'énergie pour produire de l'électricité est très semblable à un réacteur de fission

Un générateur de fusion de 1000 MW consomme seulement 150 kg de deutérium et 400 kg de lithium par année

Installation de Fusion

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Les combustibles nécessaires pour les réacteurs de fusion, le deutérium et le lithium, sont si abondants que le potentiel de fusion est pratiquement illimitée

Le gasoil utilisé dans les centrales électriques comme l’Uranium dans les centrales nucléaires finiront par fonctionner en pénurie de carburant car ces ressources ne sont pas renouvelables donc épuisables.

Contrairement aux centrales à combustible fossile, les réacteurs de fusion n'ont pas d'émission de dioxyde de carbone (contributeur au réchauffement climatique) ou le dioxyde de soufre (responsable des pluies acides)

Avantages et Inconvénients de la Fusion

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Les obstacles de l'utilisation généralisée de l'énergie nucléaire ont été les préoccupations du public sur la sûreté de fonctionnement, et l'élimination des déchets radioactifs

Les accidents tels que celui de Tchernobyl et de Fukushima sont pratiquement impossibles dans un réacteur de fusion parce que seulement une petite quantité de carburant dans le réacteur à tout moment,

Il est également de façon très difficile de maintenir une réaction de fusion (en cas de problème, la réaction serait inévitablement arrêtée)

Avantages et Inconvénients de la Fusion

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Les déchets hautement radioactifs à vie longue sont générés par les centrales nucléaires classiques

Bien que la quantité de déchets radioactifs produits par un réacteur de fusion pourrait être légèrement supérieure à celle d'une centrale nucléaire classique, les déchets auraient de faibles niveaux de rayonnement de courte durée de vie, se désintégrant presque complètement d'ici 100 ans.

Les principaux inconvénients de la fusion nucléaire sont les grandes quantités de temps et d'argent qui seront nécessaires avant que l'électricité est produite par fusion

Avantages et Inconvénients de la Fusion

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Où trouver plus d’information

Cember, H., Johnson, T. E, Introduction to Health Physics, 4th Edition, McGraw-Hill, New York (2009)

International Atomic Energy Agency, Postgraduate Educational Course in Radiation Protection and the Safety of Radiation Sources (PGEC), Training Course Series 18, IAEA, Vienna (2002)