Poison à neutrons

Un poison neutronique (également appelé «absorbeur de neutrons» ou «poison nucléaire») est une substance ayant une grande section d'absorption de neutrons dans les applications, telles que les réacteurs nucléaires. Dans de telles applications, l'absorption des neutrons est normalement un effet indésirable. Cependant matériaux absorbant les neutrons, également appelée poisons, sont intentionnellement introduit dans certains types de réacteurs afin de réduire la forte réactivité du combustible frais. Certains de ces poisons s'épuissent lorsqu'ils absorbent les neutrons pendant le fonctionnement du réacteur, tandis que d'autres restent relativement constants.

La capture de neutrons par les produits de fission de courte demi-vie est connue sous le nom d'empoisonnement du réacteur; tandis que la capture de neutrons par les produits de fission à vie longue ou stable est appelée scorification du réacteur^[1].

Produits de fission transitoires poisons

Article principal : Empoisonnement au xénon.

Certains des produits de fission générés au cours des réactions nucléaires ont une forte capacité d'absorption de neutrons, comme le xénon-135 (section efficace σ = 2 000 000 b (barns) et le samarium-149 (σ = 74 500 b). Parce que ces deux produits de fission poisons privent de neutrons le réacteur, ils auront un impact sur le facteur d'utilisation thermique et donc la réactivité. L'empoisonnement du cœur d'un réacteur par ces produits de fission peut devenir si grave que la réaction en chaîne peut s'arrêter.

Le xénon-135 en particulier, a un impact énorme sur le fonctionnement d'un réacteur nucléaire. L'incapacité d'un réacteur à être redémarré en raison de l'accumulation du xénon-135 (qui atteint un maximum après environ 10 heures) est nommé empoisonnement au xénon. La période de temps pendant laquelle le réacteur n'est pas en mesure de passer outre les effets du xénon-135 est appelé le délai xénon morts ou panne due au poison. Pendant les périodes de fonctionnement en régime permanent, à un niveau constant de flux de neutrons, la concentration de xénon-135 atteint sa valeur d'équilibre en 40 à 50 heures environ. Lorsque la puissance du réacteur est augmentée, la concentration de xénon-135 diminue d'abord parce que sa dégradation augmente avec la puissance du réacteur. Ainsi, la dynamique de l'empoisonnement au xénon représente une réaction de réactroactivité positive qui a une importance majeure pour la stabilité du flux et la distribution géométrique de la puissance, en particulier dans les réacteurs de grandes dimensions.

Parce que 95 % du xénon-135 provient de la désintégration de l'iode-135, qui a une demie vie de 6 à 7 heures, la production de xénon-135 reste constante; à ce stade, la concentration de xénon-135 atteint un minimum. La concentration augmente ensuite jusqu'à l'équilibre pour le nouveau niveau de puissance, en 40 à 50 heures environ. L'ampleur et la vitesse des variations de concentration pendant la période initiale de 4 à 6 heures suivant le changement de régime dépend du niveau de puissance initiale et du changement de niveau de puissance, la variation de concentration du xénon-135 est plus grande plus le changement du niveau de puissance est important. Lorsque la puissance du réacteur est diminuée, le processus est inversé^[2].

Parce que le samarium-149 n'est pas radioactif et n'est donc pas éliminé par décroissance, il présente des problèmes un peu différents de ceux rencontrés avec le xénon-135. La concentration d'équilibre et (donc l'effet d'empoisonnement) conduit à une valeur d'équilibre pendant le fonctionnement du réacteur en 500 heures environ (soit à peu près trois semaines), et lorsque le samarium-149 est stable, la concentration reste pratiquement constante pendant le fonctionnement du réacteur. [3] Un autre isotope problématique qui s'accumule est le gadolinium-157, avec section efficace microscopique de σ = 200 000 b

Accumulations de produits de fission poisons

Il existe de nombreux autres produits de fission qui, en raison de leur concentration et de leur section d'absorption des neutrons thermiques, ont un effet néfaste sur le fonctionnement des réacteurs. Individuellement, ils sont de peu de conséquences, mais pris ensemble, ils ont un impact significatif. Ils sont souvent caractérisés comme des produits de fission poisons. Ils s'accumulent à un rythme moyen de 50 barns par désintégration dans le réacteur. L'accumulation des produits de fission poisons dans le combustible mène à une perte d'efficacité, et dans certains cas à l'instabilité. En pratique, l'accumulation de poisons dans le combustible nucléaire du réacteur est ce qui détermine la durée de vie du combustible nucléaire dans un réacteur: bien avant que toutes les fissions possibles aient eu lieu, l'accumulation produits de fission à longue durée de vie absorbant les neutrons atténue la réaction en chaîne. C'est la raison pour laquelle le retraitement des déchets nucléaires est utile: le combustible nucléaire solide usé contient environ 97 % de la matière fissile présente dans le combustible nucléaire d'origine de fabrication récente. La séparation chimique des produits de fission restaure la qualité du combustible de sorte qu'il peut être utilisé à nouveau.

D'autres approches sont possibles pour retirer les produits de fission, notamment en utilisant du combustible solide poreux qui permet de fuir des produits de fission^[3] ou du combustible liquide ou gazeux (réacteur à sels fondus, réacteur homogène aqueux). Cela réduit le problème de l'accumulation des produits de fission dans le combustible, mais pose des problèmes supplémentaires de sécurité d'enlèvement et d'entreposage des produits de fission.

Les autres produits de fission avec des sections d'absorption relativement élevée sont le ⁸³Kr, ⁹⁵Mo, ¹⁴³Nd, ¹⁴⁷Pm^[4]. Au-dessus de cette masse, de nombreux isotopes ayant un nombre de masse pair ont des sections d'absorption, permettant à un noyau d'absorber de multiples neutrons en série. La fission d'actinides lourds produit plus de produits de fission lourd dans la gamme des lanthanides, de sorte que la section efficace d'absorption totale des neutrons des produits de fission est plus élevée^[5].

Dans un réacteur à neutrons rapides, la situation des produits de fission poisons peut différer considérablement car les sections efficace d'absorption des neutrons peuvent différer pour les neutrons thermiques et les neutrons rapides. Dans le réacteur RBEC-M, réacteur à neutrons rapides refroidis au plomb-bismuth), les produits de fission classé par capture de neutrons (représentant plus de 5 % du total des produits de fission), par ordre le ¹³³Cs, ¹⁰¹Ru, ¹⁰³Rh, ⁹⁹Tc, ¹⁰⁵Pd and ¹⁰⁷Pd dans le cœur, avec le 149Sm remplacement le 107Pd à la 6ème place dans la couverture fertile [7].

Produits de décroissance poisons

En plus des des produits de fission poisons, d'autres matériaux se désintègrent dans les réacteurs en des matériaux qui agissent comme des poisons neutroniques. Un exemple de ceci est la désintégration du tritium en l'hélium-3. Comme le tritium a une demi-vie de 12,3 ans, normalement cette décadence ne devrait pas affecter sensiblement l'exploitation des réacteurs, car le taux de désintégration du tritium est lent. Toutefois, si du tritium est produit dans un réacteur, puis reste dans le réacteur pendant un arrêt prolongé de plusieurs mois, une quantité suffisante de tritium peut se décomposer en l'hélium-3 et ajouter une affecté négativement sa réactivité. L'intégralité de l'hélium-3 produit dans le réacteur pendant une période d'arrêt sera retirée lors du fonctionnement ultérieur par une réaction neutron-proton.

Poisons de contrôle

Pendant le fonctionnement d'un réacteur, la quantité de combustible contenu dans le cœur diminue de façon monotone. Si le réacteur doit fonctionner pendant une longue période de temps, une quantité de combustible plus importante à celle nécessaire pour obtenir la masse critique exacte doit être ajoutée lorsque le réacteur est chargé. La rétroaction positive due à l'excès de carburant doit être équilibrée avec une rétroaction négative en ajoutant un matériau absorbant les neutrons. L'utilisation de barres de contrôle mobiles contenant des matériaux absorbant les neutrons est une méthode, mais le contrôle l'excès de réactivité du réacteur via seulement les barres de contrôle peut être difficile pour certaines conception particulière car il peut ne avoir assez de place pour les barres ou leurs mécanismes.

Poisons consommables

Afin de contrôler la réactivité due à grandes quantités de combustible en excès sans barres de contrôle, des poisons consommables sont chargés dans le cœur. Les poisons combustibles sont des matériaux qui ont une section efficace d'absorption des neutrons élevée et qui sont transformés en matériaux ayant une section efficace d'absorption relativement faible lors de l'absorption des neutrons. En raison de l'épuisement du poison, la rétroaction négative due au poison consommable diminue durant la vie du cœur. Idéalement, la réactivité négative de ces poisons devrait diminuer au même rythme que l'excès de réactivité du carburant au fur et à mesure de son épuisement. Des poisons combustibles sont généralement introduits sous forme de composés de bore ou de gadolinium. Ils forme un réseau de barres ou de plaques, ou ajoutés comme des éléments additionnels dans le combustible. Comme ils peuvent généralement être répartis plus uniformément que des barres de contrôle, ces poisons perturbent moins la distribution d'énergie dans le cœur. Du poison combustible peut aussi être chargé localement dans des endroits spécifiques du cœur pour façonner la forme ou contrôler la distribution du flux de neutrons et ainsi éviter un flux excessif et un pic d'énergie local dans certaines zones du réacteur. Cependant, la pratique actuelle est d'utiliser des poisons non-combustibles pour ce dessin particulier^[6].

Poisons non consommables

Un poison non-combustible est celui qui maintient une valeur de réactivité négative constante au cours de la vie du cœur. Bien qu'aucun poison neutronique ne soit strictement non-combustibles, certains matériaux peuvent être considérés comme des poisons non-combustibles, sous certaines conditions. Un exemple est hafnium. L'élimination (par absorption de neutrons) d'un isotope de hafnium conduit à la production d'un autre absorbeur de neutrons, et continue sur une chaine de cinq absorbeurs. Cette chaîne d'absorption fait que le poison bien que combustibles se comporte comme un poison à long durée de vie, pouvant être considéré comme non-combustible^[7].

Poisons solubles

Les poisons solubles produisent une absorption des neutrons uniforme dans l'espace lorsqu'ils sont dissous dans l'eau de refroidissement. Le poison soluble le plus commun dans les réacteurs à eau pressurisée (REP) est l'acide borique, qui est souvent appelé bore soluble, ou tout simplement Solbor. L'acide borique dans le liquide de refroidissement diminue le facteur d'utilisation thermique, provoquant une diminution de la réactivité. En faisant varier la concentration de l'acide borique dans le liquide de refroidissement, un processus dénommé boration et dilution, il est facile de faire varier la réactivité du cœur. Si la concentration en bore augmente, le liquide de refroidissement/modérateur absorbe plus de neutrons, en ajoutant la réactivité négative. Si la concentration en bore est réduite (dilution), la réactivité négative décroit. L'évolution de la concentration de bore dans un REP est un processus lent et est principalement utilisé pour compenser l'épuisement de carburant ou de l'accumulation de poison. La variation de la concentration en bore permet de réduire le recours aux barres de contrôle, ce qui conduit à un flux de neutrons plus uniforme dans le cœeur que celui obtenu par l'insertion des barres de contrôle. Ce flux plus uniforme se produit car il n'existe pas de régions avec un flux réduit comme celles qui seraient obtenues aux environs des barres de commande insérées. Ce système n'est pas largement utilisée car les produits chimiques font que le coefficient de réactivité du modérateur est moins négatif avec la température^[6].

Les poisons solubles sont également utilisés dans les systèmes d'arrêt d'urgence. Au cours d'un arrêt d'urgence, les opérateurs peuvent injecter des solutions contenant des poisons neutroniques directement dans le liquide de refroidissement du réacteur. Diverses solutions, y compris polyborate de sodium et du nitrate de gadolinium (Gd(NO3)3·xH2O), sont utilisés^[6].

Le 16 mars 2011, la Corée du Sud a dit qu'il allait envoyer un échantillon de 1 kg d'acide borique de leur stock au Japon. Si l'échantillon fonctionnait dans les réacteurs japonais, la Corée du Sud enverrait plus de 50 tonnes d'acide borique au Japon. Cela a été demandé par le gouvernement japonais pour tenter de prévenir la fusion des cœurs de l'usine nucléaire de Fukushima^[8].

Références

1. ↑ Kruglov , A. K. The history of the Soviet atomic industry, Taylor & Francis, 2002 ISBN 0415269709, p. 57
2. ↑ DOE Handbook, pp. 35–42.
3. ↑ Liviu Popa-Simil, « The advantages of the poisons free fuels », Space Nuclear Conference 2007, 2007. Consulté le 2007-09-27
4. ↑ Table B-3: Thermal neutron capture cross sections and resonance integrals – Fission product nuclear data
5. ↑ Evolution of Fission Product Cross Sections
6. ↑ ^{a, b et c} DOE Handbook, p. 31.
7. ↑ DOE Handbook, p. 32.
8. ↑ http://www3.nhk.or.jp/daily/english/16_34.html

Bibliographie

• (en) DOE Fundamentals Handbook: Nuclear Physics and Reactor Theory, Département de l'Énergie des États-Unis, Janvier 1993 [lire en ligne (page consultée le 31 janvier 2009)] 

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Neutron poison » (voir la liste des auteurs)