EN | FR

Modérateurs

La présence d'un « modérateur » est indispensable pour faire fonctionner des réacteurs dont le combustible est pauvre ou peu enrichi en éléments fissiles. L'objet de ce milieu modérateur est de ralentir les neutrons pour favoriser les fissions.

Comparison of neutron slowdowns
The figure shows how the neutron energy decreases due to successive collisions on nuclei present in the environment where they operate. About ten collisions on the hydrogen protons are sufficient to divide by 1000 the energy of a neutron. The slowdown is a bit slower in deuterium. It is much slower with a lightweight nucleus such as carbon (which has 12 nucleons) and especially uranium that contains 238 nucleons. The initial energy of the neutron was chosen equal to 1 MeV.
IN2P3
Les neutrons de fission sont ralentis par des collisions successives sur les noyaux du modérateur. Il s'agit de capturer le moins de neutrons possibles lors de la série de collisions : le modérateur doit être « transparent ». Le ralentissement doit être rapide pour éviter les captures dans d'autres noyaux. Il faut en moyenne, pour rendre thermique un neutron de 2 MeV, 26 collisions dans un milieu hydrogéné, 31 dans le deutérium, 120 dans le carbone, 2202 dans l'uranium.

La rapidité du ralentissement dans l'hydrogène est due à ce que l'hydrogène est composé de protons qui ont pratiquement la même masse que les neutrons. L'hydrogène est le ralentisseur le plus rapide, mais il présente l'inconvénient de capturer des neutrons pour former un isotope lourd de l'hydrogène, le deutérium.

Le deutérium, sous forme d'eau lourde, peut servir lui-même de modérateur. Il est un peu moins « rapide », mais étant déjà constitué d'un proton et d'un neutron, il capte moins les neutrons que l'hydrogène. C'est un ralentisseur idéal, dont le handicap est d'être cher (on trouve dans la nature un atome de deutérium pour 6500 atomes d'hydrogène). Modéré avec de l'eau lourde, un réacteur arrive à fonctionner même avec de l'uranium naturel.

Un troisième modérateur est également utilisé : le graphite. Le carbone est un noyau très stable peu enclin à accepter un nouveau neutron. La première pile atomique d'Enrico Fermi, qui fonctionna en 1942 durant la seconde guerre mondiale quand on ne savait pas encore enrichir l'uranium, était « modéré » au graphite. Le graphite est abondant, mais comme il doit être nettoyé de ses impuretés, il est cher.

Avoiding "resonant captures"
In the core of a reactor, the neutrons below 10 keV enter in the region of uranium-238 resonances. The figure gives a partial picture of this domain where capture probabilities are important for certain energies, and almost nil elsewhere. If the aim is to get slow neutrons to operate the reactor, neutrons must remain as least time as possible in this resonances area. In the presence of a water moderator, a collision on a proton of the hydrogen allows a neutron to make great leaps above turbulences by halving its energy on average. Without a moderator, the neutron loses its energy by small jumps and has a high probability of being captured by hitting upon on a resonance.
IN2P3 (Source JANIS)