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Contexte

Dernière mise à jour : jeudi 27 août 2015, par Antoine BACQUIAS , Gregoire Henning

Français

La demande énergétique en évolution

La société moderne telle qu’elle fonctionne est très demandeuse d’énergie et particulièrement d’électricité.
Pour cette dernière, les méthodes de production ne peuvent être perennes que si elles reposent sur des sources potentielles suffisantes (renouvelables ou fossiles).
L’enjeu du XXIème siècle est non seulement de pouvoir produire de l’électricité, mais aussi de répondre aux contraintes de gestion des ressources, d’impact environnemental et de sûreté.

Dans ce contexte, les méthodes de production d’électricité reposant sur les réactions de fission nucléaire ont été privilégiées en France, notamment pour leur faible consommation de combustible (donc leur efficacité) et le faible volume de déchets produits.
Constatant toutefois que les réserves disponibles sur notre planète sont limitées, les cycles sur lesquels reposent les réacteurs sont appelés à évoluer, en s’appuyant sur la surgénération de combustible (cas des cycles 232Th/233U et 238U/239Pu). Ces contraintes définissent les pistes de recherche pour les réacteurs du futurs (dits « de IVème génération »).

Les neutrons rapides dans les réacteurs de génération IV

Parmi les réacteurs à l’étude (critiques ou sous-critiques), un bon nombre repose sur l’utilisation de neutrons rapides pour susciter la fission nucléaire. La compréhension des réactions induites par les neutrons rapides est donc d’une très grande importance.

Aussi, comme l’illustre la figure ci-dessous (base de données ENDF/B-VII.0), dans le cas de réactions entre des neutrons d’une énergie comprise entre 0 et 13 MeV et le noyau 238U, les réactions inélastiques (n,n’) et (n,2n) sont les processus dominants par rapport à la fission. Ces réactions engendrent une modification du spectre énergétique des neutrons présents dans le cœur du réacteur et modifient la composition isotopique des matériaux en présence (combustible, déchets, structure...).

Cependant, la connaissance de ces réactions pour les énergies de neutrons supérieurs à 1 MeV est encore très incomplète. La figure ci-dessous illustre cela en confrontant différentes prédictions issues des évaluations pour la section efficace (n,n’) pas de 238U. Cette figure souligne également le peu de données expérimentales qui sont disponibles aujourd’hui, en particulier au-dessus de 2 MeV.

Or, les codes de simulation de réacteurs utilisent ces bases de données évaluées comme paramètres d’entrée. Les incertitudes dans les évaluations impactent donc la capacité à prédire avec précision les paramètres de fonctionnement des réacteurs de prochaine génération.

Les besoins de nouvelles données expérimentales

À cet égard, les besoins de connaissances ont été listés par la communauté d’utilisateurs, de simulateurs, d’expérimentateurs, de théoriciens et d’évaluateurs ; rassemblés dans la High priority Request list, gérée par la NEA.

Pour constituer une base de données évaluées, les données expérimentales sont soumises à la comparaison avec celles existantes et avec
celles issues des modèles théoriques (eux-même comparés entre eux). Les mesures sont donc l’occasion pour l’expérimentateur de renseigner le théoricien, d’apporter des contraintes sur ses prédictions, qui profitent à leur tour à l’expérimentateur dans la compréhension de ses observations et leur comparaison avec d’autres mesures.

Les données doivent donc être de très bonne qualité, c’est-à-dire de haute précision, et un long travail de préparation expérimentale et de vérification des données doit être fait.

English

Evolution of the energy demand

Modern society as it functions is very demanding in energy, particularly electricity.
For the latter, production methods can be sustainable if they are based on sufficient sources (renewable or fossil).
The challenge of the XXI th century is not only to generate electricity but also to meet the constraints of resource management, environmental impact and safety.

In this context, methods of electricity generation based on nuclear fission reactions were favored in France, notably for their low fuel consumption (and therefore efficiency), and the low volume of waste produced.
Noting, however, that the reserves available on our planet are limited, the cycles underlying the reactors will evolve, based on fuel overgeneration (case of cycles 232Th/233U and 238U/239Pu). These constraints define the search paths for the reactors of the future (so-called "Generation IV").

Fast neutrons in the Generation IV reactors

Among the reactors understudy (critical or sub-critical), many are based on the use of fast neutrons to generate nuclear fission. Understanding the reactions induced by fast neutrons is therefore of great importance.

Also, as shown in the figure below (from the ENDF/B-VII.0 database), in the case of reactions between neutrons with an energy between 0 and 13 MeV and the kernel 238U, inelastic (n,n’) and (n,2n) are the dominant process compared to the fission. These reactions give rise to a change in the energy spectrum of the neutrons present in the core of the reactor and change the isotopic composition of the materials present (fuel, waste, structure ...).

However, knowledge of these reactions for energies above 1 MeV neutrons is still very incomplete. The figure below illustrates this by comparing predictions from various evaluations of the cross section (n,n’) no 238U. This figure also highlights the limited experimental data that are available today, particularly above 2 MeV.

However, the reactor simulation codes use these evaluated databases as input parameters. The uncertainties in evaluation impacts thus the ability to accurately predict operating parameters for the next generation of reactors.

The needs of new experimental data

In this regard, needs have been listed by the user community, simulators, experimentalists, theoreticians and evaluators ; gathered in the Request High priority list, managed by the NEA.

When being inserted in an evaluation, the experimental data is subject to comparison with existing data and with those derived from theoretical models (themselves compared to each other). The measures are therefore an opportunity for the experimentalists to inform the theoreticians and provide constraints on the predictions, which in turn benefits the experimentalists in understanding their observations and their comparison with other measures.

The data must therefore be of very good quality, that is to say, high precision and a long process of preparation and experimental data verification must be done.