L’opérateur de réacteur Nicholas Thompson du Laboratoire national de Los Alamos aide à mettre en place les mesures de regroupement de neutrons au Walthousen Reactor Critical Facility du Rensselaer Polytechnic Institute à Schenectady, NY. Crédit : Laboratoire national de Los Alamos
Un phénomène longtemps théorisé observé dans un réacteur en fonctionnement pourrait améliorer la sûreté du réacteur, selon une nouvelle étude.
Pour la première fois, l’effet de regroupement de neutrons longtemps théorisé dans les réacteurs nucléaires a été démontré, ce qui pourrait améliorer la sécurité des réacteurs et créer des simulations plus précises, selon une nouvelle étude récemment publiée dans la revue Nature Communications Physique.
“Le phénomène de regroupement de neutrons avait été théorisé pendant des années, mais il n’avait jamais été analysé dans un réacteur en fonctionnement”, a déclaré Nicholas Thompson, ingénieur au Los Alamos Advanced Nuclear Technology Group. « Les résultats indiquent que, à mesure que les neutrons se fissionnent et créent plus de neutrons, certains continuent à former de grandes lignées d’amas tandis que d’autres meurent rapidement, entraînant ce que l’on appelle des « inclinaisons de puissance » ou une production d’énergie asymétrique. »
Comprendre ces fluctuations de regroupement est particulièrement important pour la sécurité et la simulation précision, d’autant plus que les réacteurs nucléaires commencent à démarrer. L’étude était une collaboration avec l’Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire (IRSN) et le Commissariat à l’énergie atomique (CEA), tous deux situés en France.
“Nous avons pu modéliser la vie de chaque neutron dans le réacteur nucléaire, en construisant essentiellement un arbre généalogique pour chacun”, a déclaré Thompson. “Ce que nous avons vu, c’est que même si le réacteur est parfaitement critique, donc le nombre de fissions d’une génération à l’autre est égal, il peut y avoir des éclats d’amas qui se forment et d’autres qui meurent rapidement.”
Ce phénomène de regroupement est devenu important à comprendre en raison d’un concept statistique connu sous le nom de ruine du joueur, qui aurait été dérivé de Blaise Pascal. Dans une analogie avec les paris, le concept dit que même si les chances qu’un joueur gagne ou perde chaque pari individuel sont de 50 %, au cours d’un nombre suffisant de paris, la certitude statistique que le joueur fera faillite est de 100 %.
Dans les réacteurs nucléaires, de génération en génération, on peut dire que chaque neutron a une chance similaire de mourir ou de fissionner pour créer plus de neutrons. Selon le concept de la ruine du joueur, les neutrons dans un réacteur pourraient alors avoir une chance statistique de disparaître complètement à une génération future, même si le système est critique.
Ce concept avait été largement étudié dans d’autres domaines scientifiques, tels que la biologie et l’épidémiologie, où ce phénomène de clustering générationnel est également présent. En s’appuyant sur ces mathématiques statistiques connexes, l’équipe de recherche a pu analyser si le concept de ruine du joueur serait vrai pour les neutrons dans les réacteurs nucléaires.
« Vous vous attendez à ce que cette théorie soit vraie », déclare Jesson Hutchinson, qui travaille avec le groupe de technologie nucléaire avancée du laboratoire. « Vous devriez avoir un système critique qui, bien que la population de neutrons varie d’une génération à l’autre, a une certaine chance de devenir sous-critique et de perdre tous les neutrons. Mais ce n’est pas ce qui se passe.
Pour comprendre pourquoi le concept de ruine du joueur ne s’est pas vérifié, les chercheurs ont utilisé un réacteur nucléaire de faible puissance situé dans le Walthousen Reactor Critical Facility à New York. Un réacteur de faible puissance était essentiel pour suivre la durée de vie des neutrons individuels, car les réacteurs à grande échelle peuvent avoir des milliers de milliards d’interactions à tout moment. L’équipe a utilisé trois détecteurs de neutrons différents, dont le détecteur à matrice de multiplicité de neutrons 3He (NoMAD) développé par Los Alamos, pour suivre chaque interaction à l’intérieur du réacteur.
L’équipe a découvert que tandis que des générations de neutrons se regrouperaient dans de grands arbres généalogiques et que d’autres s’éteignaient, une mort complète était évitée dans le petit réacteur en raison de la fission spontanée ou de la division nucléaire non induite des matières radioactives à l’intérieur des réacteurs, ce qui crée plus de neutrons. Cet équilibre de la fission et de la fission spontanée a empêché la population de neutrons de disparaître complètement, et il a également eu tendance à lisser les sursauts d’énergie créés par le regroupement des neutrons.
“Les réacteurs nucléaires de taille commerciale ne dépendent pas uniquement de la population de neutrons pour atteindre la criticité, car ils ont d’autres interventions telles que les réglages de la température et des barres de contrôle”, a déclaré Hutchinson. “Mais ce test visait à répondre à des questions fondamentales sur le comportement des neutrons dans les réacteurs, et les résultats auront un impact sur les mathématiques que nous utilisons pour simuler les réacteurs et pourraient même affecter les futures procédures de conception et de sécurité.”
Référence : « Patchy Nuclear Chain Reactions » par Eric Dumonteil, Rian Bahran, Theresa Cutler, Benjamin Dechenaux, Travis Grove, Jesson Hutchinson, George McKenzie, Alexander McSpaden, Wilfried Monange, Mark Nelson, Nicholas Thompson et Andrea Zoia, 1er juillet 2021, Nature Communications Physique.
DOI : 10.1038 / s42005-021-00654-9
Financement : Ce travail a été soutenu par le programme de sûreté de la criticité nucléaire du DOE, financé et géré par la National Nuclear Security Administration pour le ministère de l’Énergie.
