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Neutrons retardés

Un délai pour réagir offert par la Nature …

Entre 2,5 à 3 neutrons primaires sont émis en moyenne lors d’une fission. Les fragments fraîchement formés, très excédentaires en neutrons, subissent pour retrouver la stabilité toute une série de désintégrations bêta avec des durées variables. Il arrive que lors du retour à la stabilité une de ces désintégrations bêta laisse le noyau dans un état excité, dont l’énergie est suffisante pour autoriser l’émission d’un neutron. Un tel neutron est dit « retardé », parce qu’il est émis bien après les neutrons primaires. Les produits de fission qui émettent ces neutrons retardés au cours de leur décroissance radioactive sont appelés précurseurs.

Production d’un neutron retardé
Les produits de fission, trop riches en neutrons, subissent une série de désintégration bêta pour corriger cet excès et retrouver la stabilité. Lors d’une de ces désintégrations, le noyau peut être laissé dans un état de forte excitation. Il se désexcite habituellement en émettant un ou plusieurs photons gamma, mais si l’énergie d’excitation est suffisante l’alternative s’offre à lui de perdre un neutron. En raison, de la période radioactive du noyau précurseur et de ceux qui le précèdent, ce neutron est émis avec un retard par rapport à la fission qui peut atteindre quelques minutes.
© IN2P3 ©

Le délai entre la fission (avec émission de neutrons dits prompts) et l’émission des neutrons retardés va du centième de seconde à quelques dizaines de secondes suivant les noyaux précurseurs. Les neutrons retardés constituent un des outils, offert par la nature, utilisés par les ingénieurs pour la conduite et la sûreté des réacteurs.

Ils sont peu nombreux par rapport au nombre de neutrons prompts (0,7% dans les réacteurs REP) mais ils jouent un grand rôle dans la sûreté des réacteurs.  Leur existence donne le temps de réagir à d’éventuelles variations de la criticité, permettant ainsi de maitriser des divergences de la réaction en chaîne.

Plan de MASURCA
Coupe du réacteur MASURCA adapté pour l’expérience MUSE. On distingue les zones du combustible, du réflecteur de neutrons (zone entourant le cœur, constituée d’un mélange de sodium et acier, et l’écran de protection biologique (constitué d’acier). La source de neutrons GENEPI utilise la réaction de fusion deutérium-tritium en bombardant par un faisceau de deutérium une cible contenant du tritium.
LPSC-Grenoble ©

Une mesure des neutrons retardés : l’expérience MUSE

Une expérience effectuée par le laboratoire de physique des réacteurs du LPSC Grenoble sur le réacteur MASURCA du CEA à Cadarache, a permis de mesurer le taux de neutrons retardés, dans le cadre du programme MUSE (MUltiplication de Source Externe). Le réacteur MASURCA est un réacteur expérimental de faible puissance, rendu sous-critique. Dans un réacteur sous-critique il faut une source externe de neutrons pour produire des fissions.

La source de neutrons, appelée GENEPI (GEnérateur de NEutrons Pulsés de forte Intensité), est couplée au réacteur. GENEPI utilise la réaction de fusion deutérium-tritium en bombardant par un faisceau de deutérium une cible contenant du tritium, produisant au cœur de la cible des neutrons de 14 MeV. Ces neutrons primaires énergiques sont injectés sous forme d’impulsions intenses et avec une fréquence élevée. Ils génèrent des fissions qui produisent des neutrons prompts et retardés aussi longtemps que la source est active.

Pour obtenir un nombre de neutrons retardés suffisant pour la mesure, il fallait accumuler les précurseurs de neutrons retardés. Dans un premier temps, on a demandé à la source de fournir pendant 200 secondes un grand nombre de neutrons primaires, et ainsi de produire un grand nombre de fissions promptes accompagnées de fissions induites par des neutrons retardés. On interrompt alors brutalement la source des neutrons primaires ce qui supprime les fissions promptes.

Effets des neutrons retardés
Variation du taux de comptage ou de la puissance du réacteur sous-critique quand celui-ci est alimenté en neutrons pendant 200 secondes, alternativement à raison de 4000 et de 300 impulsions par seconde. La réponse du réacteur montre clairement l’effet des neutrons retardés. Lors du changement de régime, la puissance tombe de 26 à 2 watts. On remarquera, qu’après une chute de puissance quasi instantanée (effets des neutrons prompts), le réacteur n’atteint le bas régime qu’au bout des 200 secondes. Cette décroissance lente est due aux neutrons retardés. On déduit de cette décroissance la fraction de ces neutrons.
© LPSC-Grenoble ©

Durant cette seconde phase, les fissions retardées dominent. Elles sont dues à la décroissance du flux de neutrons retardés que l’on peut ainsi mesurer. Les mesures ont donné une fraction des neutrons retardés par rapport au nombre total de neutrons, en accord avec la valeur attendue.


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