“reuss” — 2007/1/9 — 17:32 — page 25 — #39
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1 - Les prémices de l’énergie nucléaire
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Grâce à des considérations théoriques de physique quantique, introduites notamment
par Bohr, confirmées par des mesures on savait que :
1/ les sections efficaces sont d’autant plus grandes, donc les interactions neutron-matière
d’autant plus aisées, que les neutrons sont lents : selon la loi de De Broglie, la longueur
d’onde des particules est inversement proportionnelle à leur vitesse ; il en résulte que les
sections efficaces d’absorption sont, elles aussi, à peu près inversement proportionnelles
à la vitesse des neutrons ;
2/ les noyaux lourds impairs en neutrons peuvent être fissionnés par les neutrons lents et
sont même caractérisés par une très grande section efficace (plusieurs centaines de barns
pour les neutrons thermiques). Parmi les nucléides lourds naturels, seul l’uranium 235 (92
protons et 143 neutrons) jouit de cette propriété : c’est cet isotope qui subit la fission lors
du bombardement de l’uranium par les neutrons thermiques. On anticipait que d’autres
noyaux artificiels (uranium 233, plutonium 239, etc.) du même type jouiraient de la même
propriété, ce que l’expérience a effectivement confirmé le jour où l’on a su les fabriquer ;
3/ dans l’uranium naturel qui ne contient pourtant que 0,7 % d’uranium 235, la fission se
produit fréquemment par irradiation avec des neutrons lents car l’autre isotope, l’uranium
238, n’a qu’une section efficace de quelques barns pour la capture sans fission. Cela
permet d’envisager la réaction en chaîne de fissions en utilisant l’uranium naturel et un
bon modérateur, disposés selon un agencement adéquat ;
4/ les noyaux lourds pairs en neutrons, tel l’uranium 238 (92 protons et 146 neutrons)
ne peuvent être fissionnés que par des neutrons très énergétiques, et encore difficilement
car leurs sections efficaces sont faibles (inférieures au barn). On sait aussi que ces noyaux
présentent des sections efficaces gigantesques pour la capture (sans fission) des neutrons
dans d’étroits domaines d’énergie situés vers quelques électronvolts, c’est-à-dire dans la
plage intermédiaire entre le domaine des neutrons de fission et le domaine des neutrons
thermiques : ce sont les « résonances » ; les neutrons en train de se ralentir risquent de
disparaître dans ces résonances, mais cela est difficile à quantifier car ces résonances sont
alors très mal connues.
• La migration des neutrons
Le ralentissement des neutrons, se produisant selon un mécanisme analogue au choc entre
boules de billard, est facile à modéliser. Ce qui est plus délicat, c’est de traiter la migration
dans l’espace.
Certes, on connaît l’équation qui régit cela : c’est l’équation qu’a écrite Boltzmann dès
1879 pour traiter les gaz et qui s’applique aussi aux neutrons qui se comportent comme
des molécules de gaz. Mais, d’une part, on connaît mal les paramètres (sections efficaces)
à injecter dans cette équation dans le cas des neutrons et, d’autre part, l’équation est
beaucoup trop complexe pour pouvoir être résolue avec les moyens de calcul de l’époque.
On se contentera donc d’une approximation simple, dite « de la diffusion », qui se prête
assez bien à des calculs analytiques.
Les neutrons sont dispersés sur une grande plage de vitesses. Dans cette équation on
raisonne en pratique en admettant que tous les neutrons ont la vitesse moyenne. Cette
hypothèse suppose que l’on sache faire des moyennes des sections efficaces sur toute
cette plage de vitesses.
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1 - Les prémices de l’énergie nucléaire
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Grâce à des considérations théoriques de physique quantique, introduites notamment
par Bohr, confirmées par des mesures on savait que :
1/ les sections efficaces sont d’autant plus grandes, donc les interactions neutron-matière
d’autant plus aisées, que les neutrons sont lents : selon la loi de De Broglie, la longueur
d’onde des particules est inversement proportionnelle à leur vitesse ; il en résulte que les
sections efficaces d’absorption sont, elles aussi, à peu près inversement proportionnelles
à la vitesse des neutrons ;
2/ les noyaux lourds impairs en neutrons peuvent être fissionnés par les neutrons lents et
sont même caractérisés par une très grande section efficace (plusieurs centaines de barns
pour les neutrons thermiques). Parmi les nucléides lourds naturels, seul l’uranium 235 (92
protons et 143 neutrons) jouit de cette propriété : c’est cet isotope qui subit la fission lors
du bombardement de l’uranium par les neutrons thermiques. On anticipait que d’autres
noyaux artificiels (uranium 233, plutonium 239, etc.) du même type jouiraient de la même
propriété, ce que l’expérience a effectivement confirmé le jour où l’on a su les fabriquer ;
3/ dans l’uranium naturel qui ne contient pourtant que 0,7 % d’uranium 235, la fission se
produit fréquemment par irradiation avec des neutrons lents car l’autre isotope, l’uranium
238, n’a qu’une section efficace de quelques barns pour la capture sans fission. Cela
permet d’envisager la réaction en chaîne de fissions en utilisant l’uranium naturel et un
bon modérateur, disposés selon un agencement adéquat ;
4/ les noyaux lourds pairs en neutrons, tel l’uranium 238 (92 protons et 146 neutrons)
ne peuvent être fissionnés que par des neutrons très énergétiques, et encore difficilement
car leurs sections efficaces sont faibles (inférieures au barn). On sait aussi que ces noyaux
présentent des sections efficaces gigantesques pour la capture (sans fission) des neutrons
dans d’étroits domaines d’énergie situés vers quelques électronvolts, c’est-à-dire dans la
plage intermédiaire entre le domaine des neutrons de fission et le domaine des neutrons
thermiques : ce sont les « résonances » ; les neutrons en train de se ralentir risquent de
disparaître dans ces résonances, mais cela est difficile à quantifier car ces résonances sont
alors très mal connues.
• La migration des neutrons
Le ralentissement des neutrons, se produisant selon un mécanisme analogue au choc entre
boules de billard, est facile à modéliser. Ce qui est plus délicat, c’est de traiter la migration
dans l’espace.
Certes, on connaît l’équation qui régit cela : c’est l’équation qu’a écrite Boltzmann dès
1879 pour traiter les gaz et qui s’applique aussi aux neutrons qui se comportent comme
des molécules de gaz. Mais, d’une part, on connaît mal les paramètres (sections efficaces)
à injecter dans cette équation dans le cas des neutrons et, d’autre part, l’équation est
beaucoup trop complexe pour pouvoir être résolue avec les moyens de calcul de l’époque.
On se contentera donc d’une approximation simple, dite « de la diffusion », qui se prête
assez bien à des calculs analytiques.
Les neutrons sont dispersés sur une grande plage de vitesses. Dans cette équation on
raisonne en pratique en admettant que tous les neutrons ont la vitesse moyenne. Cette
hypothèse suppose que l’on sache faire des moyennes des sections efficaces sur toute
cette plage de vitesses.