IAEA Sources de rayonnements Fission et Fusion jour 4 – Leçon 2 1.
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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)