10 - Propagation des rayonnements : méthodes et codes de calcul
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Ce sont, actuellement, les méthodes les plus couramment utilisées pour les études de
protection du domaine des réacteurs nucléaires. Bien entendu, d’autres méthodes
existent comme la méthode « removal-diffusion » de transport des neutrons (Ponti et al.,
1967 ; Jaeger, 1968), la méthode « à un choc » (Bourdet, 1983) qu’il convient sans doute
de revisiter.
10.1. Transport des particules chargées
Le transport des particules chargées – électrons, positrons, ions… – dans la matière est
constitué de phénomènes physiques complexes. Ainsi, un électron qui se propage dans la
matière donne lieu aux interactions suivantes :
– la collision élastique au cours de laquelle l’électron interagit avec le noyau de l’atome :
son énergie cinétique n’est pas modifiée mais sa direction de propagation change (Mott,
1924 ; Riley, 1975) ;
– la collision inélastique au cours de laquelle l’électron interagit avec le cortège électronique de l’atome en transférant une partie de son énergie aux électrons de l’atome. Celuici soit se retrouve dans un état excité, soit est ionisé par éjection d’un des électrons du
cortège électronique. La désexcitation de l’atome produit un ou plusieurs photons. À
l’issue de cette collision, l’électron incident a à la fois son énergie et sa direction modifiées
(Möller, 1932) ;
– l’accélération de l’électron dans le champ électrique créé par le noyau de l’atome qui a
pour effet la production de photons, appelée rayonnement de freinage ou Bremsstrahlung,
dont le spectre est continu en énergie (Koch et al., 1959 ; Berger et al., 1986).
Les photons produits par l’interaction des électrons avec les atomes donnent eux-mêmes
lieu à des interactions dans la matière : effet photo-électrique, diffusion cohérente, effet
Compton, création de paires (électron, positon) (Bethe et al., 1934 ; Bhabha, 1936).
La perte d’énergie de la particule primaire a, par conséquent, deux composantes, l’une liée
aux collisions inélastiques (ionisation), l’autre au processus radiatif (rayonnement de freinage).
Par ailleurs, plusieurs milliers, voire dizaines de milliers de collisions, sont nécessaires
pour ralentir un électron d’une énergie de plusieurs MeV.
Cette phénoménologie de l’interaction électron-matière montre donc, à partir d’un électron primaire, la production arborescente d’électrons, de positrons et de γ que l’on désigne
par le terme de cascade électromagnétique (cascad shower en anglais). Le transport des
électrons, des positrons et des γ est donc fortement couplé.
La complexité du phénomène de propagation des particules chargées notamment des
électrons (grand nombre de collisions, création de particules secondaires, annihilation de
particules, énergie relativiste…) a conduit divers auteurs à traiter le transport des particules
chargées par la méthode de Monte Carlo (Berger, 1963 ; Tableau 10.4) assortie d’approximations relatives à la fois aux processus de ralentissement et de diffusion.
Le principe général de l’approche Monte Carlo (en fait plusieurs types d’algorithmes existent, Berger, 1963 ; Péneliau, 2000) repose sur la simulation alternée de collisions individualisées (appelées collisions dures ou catastrophiques) qui modifient de manière
significative l’état de la particule (énergie et direction) et de collisions regroupées sur de
courts trajets successifs sur lesquels sont appliquées les approximations d’un ralentissement
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Ce sont, actuellement, les méthodes les plus couramment utilisées pour les études de
protection du domaine des réacteurs nucléaires. Bien entendu, d’autres méthodes
existent comme la méthode « removal-diffusion » de transport des neutrons (Ponti et al.,
1967 ; Jaeger, 1968), la méthode « à un choc » (Bourdet, 1983) qu’il convient sans doute
de revisiter.
10.1. Transport des particules chargées
Le transport des particules chargées – électrons, positrons, ions… – dans la matière est
constitué de phénomènes physiques complexes. Ainsi, un électron qui se propage dans la
matière donne lieu aux interactions suivantes :
– la collision élastique au cours de laquelle l’électron interagit avec le noyau de l’atome :
son énergie cinétique n’est pas modifiée mais sa direction de propagation change (Mott,
1924 ; Riley, 1975) ;
– la collision inélastique au cours de laquelle l’électron interagit avec le cortège électronique de l’atome en transférant une partie de son énergie aux électrons de l’atome. Celuici soit se retrouve dans un état excité, soit est ionisé par éjection d’un des électrons du
cortège électronique. La désexcitation de l’atome produit un ou plusieurs photons. À
l’issue de cette collision, l’électron incident a à la fois son énergie et sa direction modifiées
(Möller, 1932) ;
– l’accélération de l’électron dans le champ électrique créé par le noyau de l’atome qui a
pour effet la production de photons, appelée rayonnement de freinage ou Bremsstrahlung,
dont le spectre est continu en énergie (Koch et al., 1959 ; Berger et al., 1986).
Les photons produits par l’interaction des électrons avec les atomes donnent eux-mêmes
lieu à des interactions dans la matière : effet photo-électrique, diffusion cohérente, effet
Compton, création de paires (électron, positon) (Bethe et al., 1934 ; Bhabha, 1936).
La perte d’énergie de la particule primaire a, par conséquent, deux composantes, l’une liée
aux collisions inélastiques (ionisation), l’autre au processus radiatif (rayonnement de freinage).
Par ailleurs, plusieurs milliers, voire dizaines de milliers de collisions, sont nécessaires
pour ralentir un électron d’une énergie de plusieurs MeV.
Cette phénoménologie de l’interaction électron-matière montre donc, à partir d’un électron primaire, la production arborescente d’électrons, de positrons et de γ que l’on désigne
par le terme de cascade électromagnétique (cascad shower en anglais). Le transport des
électrons, des positrons et des γ est donc fortement couplé.
La complexité du phénomène de propagation des particules chargées notamment des
électrons (grand nombre de collisions, création de particules secondaires, annihilation de
particules, énergie relativiste…) a conduit divers auteurs à traiter le transport des particules
chargées par la méthode de Monte Carlo (Berger, 1963 ; Tableau 10.4) assortie d’approximations relatives à la fois aux processus de ralentissement et de diffusion.
Le principe général de l’approche Monte Carlo (en fait plusieurs types d’algorithmes existent, Berger, 1963 ; Péneliau, 2000) repose sur la simulation alternée de collisions individualisées (appelées collisions dures ou catastrophiques) qui modifient de manière
significative l’état de la particule (énergie et direction) et de collisions regroupées sur de
courts trajets successifs sur lesquels sont appliquées les approximations d’un ralentissement