Sources de rayonnements

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1 Sources de rayonnements
Fission et Fusion jour 4 – Presentation 2

2 Objectif Discuter les réactions de la fission et la fusion et le concept de criticité

3 Contenu Réaction de Fission
Produits de Fission et élément transuraniens Criticité et Contrôle de la Fission Réaction de Fusion Combustibles de Fission Avantages et inconvénients de la Fusion

4 Fission Fragment de fission Neutron libre béta noyau alpha énergie
gamma Neutron libre Fragment de fission béta alpha énergie noyau Neutron libre

5 Fission Exemples de réactions de fission:
235U + n  141Ba + 92Kr + 3n MeV 235U + n  94Zr + 139La + 3n MeV The fission reaction in U‑235 produces fission products such as Ba, Kr, Sr, Cs, I and Xe with atomic masses distributed around 95 and 135. Examples of typical reaction products are listed in this slide. In these equations, the number of nucleons (protons + neutrons) is conserved, e.g = A small loss in atomic mass is the source of the energy released. Both the barium and krypton isotopes subsequently decay and form more stable isotopes of neodymium and yttrium, with the emission of several electrons from the nucleus (beta decays). It is the beta decays, with some associated gamma rays, which make the fission products highly radioactive although the radioactivity decreases with time. The total energy released in fission varies with the precise break up. For 235U it averages about 200 MeV or 3.2 x 10‑11 joule. For Pu‑239 it averages about 210 MeV per fission. This is the total available energy released consisting of kinetic energy values (Ek) of the fission fragments plus neutron, gamma and delayed energy releases which add about 30 MeV. This contrasts with 4 eV or 6.5 x 10‑19 J per molecule of carbon dioxide released in the combustion of carbon in fossil fuels.

6 Fission Suit la capture de neutrons
Fission de neutrons Thermiques 233U, 235U, 239Pu qui ont un nombre impaire de neutrons Pour les isotopes qui ont le même nombre de neutrons, le neutron incident doit avoir une énergie supérieure à environ 1 MeV Fission may take place in any of the heavy nuclei after capture of a neutron. However, low‑energy (slow or thermal) neutrons are able to cause fission only in those isotopes of uranium and plutonium whose nuclei contain odd numbers of neutrons (e.g. U‑233, U‑235, and Pu‑239). For nuclei containing an even number of neutrons, fission can only occur if the incident neutrons have energy above about one million electron volts (MeV).

7 Fission Section efficace des neutrons pour la fission de l’U et le Pu
The probability that fission or any another neutron‑induced reaction will occur is described by the cross‑section for that reaction. The cross‑section may be imagined as an area surrounding the target nucleus and within which the incoming neutron must pass if the reaction is to take place. The fission cross sections increase greatly as the neutron velocity decreases. In nuclei with an odd‑number of neutrons, such as U‑235, the fission cross‑section becomes very large at thermal energies. As you can see on this graph, both scales are logarithmic.

8 Fission Type de Neutron /Titre Energie (eV) Neutrons froids
0 < 0.025 Neutrons thermiques 0.025 Neutrons Epithermiques 0.025 < 0.4 Neutrons du Cadmium 0.4 < 0.6 Neutrons Epicadmium 0.6 < 1 Neutrons lents 1 < 10 Neutrons Resonance 10 < 300 Neutrons Intermediaires 300 < 1,000,000 Neutrons rapides 1,000,000 < 20,000,000 Neutrons Relativistes >20,000,000 A neutron is said to have thermal energy when it has slowed down to be in thermal equilibrium with its surroundings. In other words, the kinetic energy of the neutrons is similar to the kinetic energy of the surrounding atoms due to their random thermal motion. As can be seen from this table, neutrons can range in energy from 2.5 x 10-2 eV to over 2 x 107 eV, nine orders of magnitude. To promote fission in reactions where thermal neutrons are required, moderators such as water are used to slow the neutrons down.

9 Fission The fission chain reaction must be initiated by introducing some neutrons into the fissile material. This can be done by inserting an Am-Be, Pu-Be, Po-Be or Ra-Be source. The Am, Pu, Po or Ra emits alpha particles which release neutrons from the beryllium as it turns to carbon‑12. Using U‑235 in a thermal reactor as an example, when a neutron is captured, the total energy is distributed amongst the 236 nucleons (protons & neutrons) now present in the compound nucleus. This nucleus is relatively unstable and it is likely to break into two fragments of around half the mass. These fragments are nuclei found near the middle of the Periodic Table and the probabilistic nature of the break‑up leads to several hundred possible combinations as seen in this figure. Creation of the fission fragments is followed almost instantaneously by emission of a number of neutrons (typically 2 or 3, average 2.5), which enable the chain reaction to be sustained.

10 transuraniens de capture de neutron
Produits de fission et transuraniens de capture de neutron The graph shows the decay of fission products after removal from a reactor.

11 Fission Source d’énergie libérée pendant la fission:
Energie cinétique des fragments de fission Rayons Gamma Energie cinétique des neutrons émis Prompts Différés About 85% of the energy released is initially the kinetic energy of the fission fragments. However, in solid fuel they can only travel a microscopic distance, so their energy becomes converted into heat. The balance of the energy comes from gamma rays emitted during or immediately following the fission process and from the kinetic energy of the neutrons. Some of the latter are immediate (so‑called prompt neutrons), but a small proportion (0.7% for U‑235, 0.2% for Pu‑239) is delayed, as these are associated with the radioactive decay of certain fission products. The longest delayed neutron group has a half‑life of about 56 seconds.

12 Criticité Les neutrons éjectés lors de la fission égal
les neutrons produisant plusieurs fissions + neutrons absorbés + les neutrons perdus du système La Criticité est constante si l'équilibre existe. Le taux de fission (puissance) peut être modifié en faisant varier le nombre de neutrons absorbés et / ou commander le nombre perdu The delayed neutron release is the crucial factor enabling a chain reacting system (or reactor) to be controllable and to be able to be held precisely critical. At criticality the chain reacting system is exactly in balance, such that the number of neutrons produced in fissions remains constant. This number of neutrons may be completely accounted for by the sum of those causing further fissions, those otherwise absorbed, and those leaking out of the system. Under these circumstances the power generated by the system remains constant. To raise or lower the power, the balance must be changed (using the control system) so that the number of neutrons present (and hence the rate of power generation) is either reduced or increased. The control system is used to restore the balance when the desired new power level is attained.

13 Criticité Facteur de Multiplication Nf+1 Keff = Nf
Nf+1 est le nombre de neutrons produits dans“f+1” générations par Nf neutrons de la future génération “f”

14 Criticité Sous-Critique (keff < 1) – plus de neutrons perdus par fuite de système et/ou par absorption sans fission par des impuretés ou des "poisons" produits par la fission Critique (keff = 1) – un neutron par fission valable pour créer une autre fission Sur-Critique (keff > 1) – le taux de production des neutrons de fission dépasse le taux de perte

15 Criticité Keff dépend de la disponibilité de neutrons avec l'énergie nécessaire et la disponibilité des atomes fissiles En conséquence, keff dépend de la composition, la disposition et la taille de la matière fissile Si le montage est infiniment large, pas de perte de neutrons et Keff = L x k , où L est la probabilité de non fuite et K dépend de 4 facteurs

16 Fission Control de Fission
La Fission typiquement libère 2 à 3 neutrons (2.5 en moyenne) Un est nécessaire pour entretenir la réaction en chaîne à un niveau stable de criticité contrôlée L'autre 1,5 fuit de la région du cœur ou absorbé dans des réactions de non fission Fission of U‑235 nuclei typically releases 2 or 3 neutrons with an average of about 2.5. One of these neutrons is needed to sustain the chain reaction at a steady level of controlled criticality; on average, the other 1.5 leak from the core region or are absorbed in non‑fission reactions.

17 Fission Control de Fission
Le bore ou le cadmium des barres de commande absorbent des neutrons Quand les barres de commande sont légèrement retirées, le nombre de neutrons disponibles pour la fission dépassent l’unité, le niveau de puissance augmente Lorsque la puissance atteint le niveau désiré, les barres de commande sont ramenées en position critique Neutron‑absorbing control rods are used to adjust the power output of a reactor. These typically use boron and/or cadmium (both are strong neutron absorbers) and are inserted among the fuel assemblies. When they are slightly withdrawn from their position at criticality, the number of neutrons available for ongoing fission exceeds unity (i.e. criticality is exceeded) and the power level increases. When the power reaches the desired level, the control rods are returned to the critical position and the power stabilises.

18 Fission Control de Fission
Les neutrons de fission sont initialement rapides (énergie sup. à 1 MeV) La fission de 235U est plus facilement provoquée par les neutrons lents (énergie d’environ 0.02 eV) Le modérateur ralenti les neutrons rapides par collisions élastiques Pour l’U naturel (non enrichi) seul le graphite et l’eau "lourde“ sont des modérateurs appropriés Pour l’U enrichi « léger » l’eau légère peut être utilisée Neutrons released in fission are initially fast (velocity about 109 cm/sec, or energy above 1 MeV), but fission in U‑235 is most readily caused by slow neutrons (velocity about 105 cm/sec, or energy about 0.02 eV). A moderator material comprising light atoms thus surrounds the fuel rods in a reactor. Without absorbing too many, it must slow down the neutrons in elastic collisions (compare it with collisions between billiard balls on an atomic scale). In a reactor using natural (unenriched) uranium the only suitable moderators are graphite and heavy water (these have low levels of unwanted neutron absorption). With enriched uranium (i.e. increased concentration of U‑235), ordinary (light) water may be used as moderator. (Water is also commonly used as a coolant, to remove the heat and generate steam.)

19 Fission Control de Fission
Le combustible accumule progressivement des produits de fission et transuraniens qui augmentent l'absorption des neutrons (le système de contrôle doit compenser) Après environ trois ans, le combustible est remplacé en raison de: - L’accumulation dans l'absorption - changements métallurgiques par les bombardements constants des neutrons Le burn-up (taux de combustion) effectivement limité à environ la moitié de la matière fissile While fuel is in use in the reactor, it is gradually accumulating fission products and transuranic elements which cause additional neutron absorption. The control system has to be adjusted to compensate for the increased absorption. When the fuel has been in the reactor for three years or so, this build‑up in absorption, along with the metallurgical changes induced by the constant bombardment of the fuel materials, dictates that the fuel should be replaced. This effectively limits the burn‑up to about half of the fissile material, and the fuel assemblies must then be removed and replaced with fresh fuel.

20 Fission - Résumé Note that the 235U atom at the bottom of the picture can’t capture the fast neutron, however, the atom at the top can capture the neutron after it has been moderated.

21 Fusion En 1920, Arthur Eddington suggère que l'énergie du soleil et des étoiles était un produit de la fusion d'atomes d'hydrogène en hélium Dans le cœur du soleil, à des températures de 10 à 15 millions de degrés Celsius, l'hydrogène est transformé en hélium Depuis les années 1950, de grands progrès ont été faits dans la recherche sur la fusion nucléaire, cependant, la seule application pratique de la technologie de fusion à ce jour a été l’hydrogène ou bombe thermonucléaire Nuclear Fusion is the energy‑producing process which takes place continuously in the sun and stars. In the core of the sun at temperatures of 10‑15 million degrees Celsius, Hydrogen is converted to Helium providing enough energy to sustain life on earth. The dream of harvesting energy from the same reaction that powers our sun has been around since 1920, when Arthur Eddington suggested that the energy of the sun and stars was a product of the fusion of hydrogen atoms into helium. Since the 1950's, great progress has been made in nuclear fusion research. However, the only practical application of fusion technology to date has been the "hydrogen" or thermonuclear bomb.

22 Fusion La fusion a un potentiel quasi illimité
Les isotopes de l'hydrogène dans 1 gallon d'eau ont l'équivalent de l'énergie de fusion de 300 galons d'essence Une centrale de fusion n’aurait pas d'émissions de gaz à effet de serre et ne génère pas de déchets radioactifs de haute activité Les experts prédisent qu’il faut attendre au moins une cinquantaine d’années  et l’investissement de plusieurs billions de dollars pour générer de l’électricité à partir d’un réacteur à fusion thermonucléaire  et ceci en raison de la taille énorme et la complexité d’un tel  réacteur Researchers stress that nuclear fusion has an almost unlimited potential to supply electricity. The hydrogen isotopes in one gallon of water have the fusion energy equivalent of 300 gallons of gasoline. A nuclear fusion power plant would also have no greenhouse gas emissions, and would generate none of the long lived, high level radioactive waste associated with conventional nuclear fission power plants. Despite its theoretical potential, leading experts predict that the world is still at least 50 years and billions of research dollars away from having electricity generated from nuclear fusion. This is largely due to the enormous size and complexity of a reactor that would be capable of sustaining nuclear fusion.

23 Fusion Les atomes d'hydrogène fusionnés pour créer l'hélium
La masse de l'hélium est légèrement inférieure (1%) à la masse d'origine tenant en considération la différence générée en tant qu’énergie dégagée en continue Au lieu d’utiliser les atomes d’hydrogène, il est plus facile de favoriser la fusion à l'aide de deux isotopes d'hydrogène, deutérium et tritium, Le deutérium est un isotope d’hydrogène généré naturellement qui a un neutron supplémentaire Un atome d’hydrogène sur 6700 devient le deutérium et peut être soustrait du reste Nuclear fusion involves the binding together of hydrogen atoms, creating helium. The total mass of the final products is slightly less, one percent, than the original mass, with the difference being given off as energy. If this energy can be captured, it could be used to generate electricity. Rather than using normal hydrogen atoms, it has been found that it is easier to promote fusion by using two isotopes of hydrogen, deuterium and tritium. Isotopes are forms of the same chemical element which have the same number of protons in their nuclei, but a different number of neutrons. Deuterium is a naturally occurring isotope of hydrogen which has one extra neutron. One hydrogen atom in 6700 occurs as deuterium and can be separated from the rest.

24 Fusion Deuterium and tritium combine to produce helium and energy.

25 Fusion Le Tritium est très rare, car il est naturellement radioactif et se désintègre rapidement Le tritium peut être obtenu en bombardant le lithium naturel avec des neutrons Le tritium peut être créé en ayant un "matelas" fait de lithium entourant un récipient de confinement de fusion (cela se traduirait par un réacteur surgénérateur) La fusion ne peut se faire qu’à des températures typiques du centre des étoiles, (de l'ordre de 100 millions de degrés Celsius) Tritium has two extra neutrons and is very rare, because it is naturally radioactive and decays quickly. Tritium can be manufactured by bombarding the naturally occurring element lithium with neutrons from either a fission or fusion reactor. Current thinking is that tritium would be created by having a "blanket" made of lithium surrounding a containment vessel. A reactor such as this, which "breeds" its own fuel, is called a breeder reactor. Unlike nuclear fission used in conventional nuclear power plants, there is no convenient method of starting a nuclear fusion reaction. Fusion can only be accomplished at temperatures typical of the centre of stars, about 100 million degrees Celsius.

26 Combustibles de Fusion
Le deutérium peut être extrait de l'eau (Si toute l'électricité du monde a été fournie par la fusion, le deutérium devait durer des millions d'années) Le tritium ne se produit pas naturellement et sera fabriqué à partir de lithium à l'intérieur d’une machine Lithium, le métal le plus léger, est abondant dans la croûte terrestre (si toute l'électricité du monde devait être fournie par la fusion, les réserves connues vont durer au moins 1000 ans) Même si la fusion se produit entre le deutérium et le tritium, les consommables sont deutérium et lithium Fuels Deuterium is abundant as it can be extracted from all forms of water. If all the world's electricity were to be provided by fusion power stations, Deuterium supplies would last for millions of years. Tritium does not occur naturally and will be manufactured from Lithium within the machine. Lithium, the lightest metal, is plentiful in the earth's crust. If all the world's electricity were to be provided by fusion, known reserves would last for at least 1000 years. Once the reaction is established, even though it occurs between Deuterium and Tritium, the consumables are Deuterium and Lithium.

27 Combustibles de Fusion
Par exemple, 10 grammes de deutérium qui peuvent être extraits à partir de 500 litres d'eau et 15 g de tritium produits à partir de 30 g de lithium produiraient assez de combustible pour les besoins en électricité de la durée de vie d'une personne moyenne dans un pays industrialisé Quantities For example, 10 grams of Deuterium which can be extracted from 500 litres of water and 15g of Tritium produced from 30g of Lithium would produce enough fuel for the lifetime electricity needs of an average person in an industrialised country.

28 Installation de Fusion
Un réacteur de fusion capable de produire 1000 MW d'électricité serait très large et complexe Alors que les réacteurs de fission peuvent être assez petits pour être utilisé dans des sous-marins ou des satellites, la taille minimale d'un réacteur de fusion serait similaire à celle des plus grandes centrales nucléaires commerciales d'aujourd'hui La partie la plus difficile est de créer une réaction de fusion durable - la capture de l'énergie pour produire de l'électricité est très semblable à un réacteur de fission Un générateur de fusion de 1000 MW consomme seulement 150 kg de deutérium et 400 kg de lithium par année Fusion Power Plants A full scale fusion reactor capable of generating 1000 MW (1 MW = 1 million watts) of electricity, comparable to conventional nuclear power plants, would be a very large and complex machine. While fission reactors can be made small enough to be used in submarines or satellites, the minimum size and output of a fusion reactor would be similar to that of today's largest nuclear plants. Although a fusion reactor capable of generating electricity has never been built, the difficult part is creating a sustainable fusion reaction. Capturing the energy given off by the reaction in the form of heat and transforming the heat to electricity is very similar to generating electricity from a conventional fission reactor. A 1000 MW fusion generator would have a yearly fuel consumption of only 150 kg of deuterium and 400 kg of lithium.

29 Avantages et Inconvénients de la Fusion
Les combustibles nécessaires pour les réacteurs de fusion, le deutérium et le lithium, sont si abondants que le potentiel de fusion est pratiquement illimitée Le gasoil utilisé dans les centrales électriques comme l’Uranium dans les centrales nucléaires finiront par fonctionner en pénurie de carburant car ces ressources ne sont pas renouvelables donc épuisables. Contrairement aux centrales à combustible fossile, les réacteurs de fusion n'ont pas d'émission de dioxyde de carbone (contributeur au réchauffement climatique) ou le dioxyde de soufre (responsable des pluies acides) Advantages/Disadvantages of Fusion Nuclear fusion, if it can be developed, would have several advantages over conventional fossil fuel and nuclear fission power plants. The fuels required for fusion reactors, deuterium and lithium, are so abundant that the potential for fusion is virtually unlimited. Oil and gas fired power plants as well as nuclear plants relying on uranium will eventually run into fuel shortages as these non‑renewable resources are consumed. Like conventional nuclear plants, fusion reactors have no emission of carbon dioxide, the major contributor to global warming or sulphur dioxide, the main cause of acid rain. Fossil fuel power plants burning coal, oil and natural gas are large contributors to global warming and acid rain.

30 Avantages et Inconvénients de la Fusion
Les obstacles de l'utilisation généralisée de l'énergie nucléaire ont été les préoccupations du public sur la sûreté de fonctionnement, et l'élimination des déchets radioactifs Les accidents tels que celui de Tchernobyl et de Fukushima sont pratiquement impossibles dans un réacteur de fusion parce que seulement une petite quantité de carburant dans le réacteur à tout moment, Il est également de façon très difficile de maintenir une réaction de fusion (en cas de problème, la réaction serait inévitablement arrêtée) One of the barriers to the widespread use of conventional nuclear power plants has been public concern over operational safety, and the disposal of radioactive waste. Major accidents, such as Chernobyl, are virtually impossible with a fusion reactor because only a small amount of fuel is in the reactor at any time. It is also so extremely difficult to sustain a fusion reaction, that should anything go wrong, the reaction would invariably stop.

31 Avantages et Inconvénients de la Fusion
Les déchets hautement radioactifs à vie longue sont générés par les centrales nucléaires classiques Bien que la quantité de déchets radioactifs produits par un réacteur de fusion pourrait être légèrement supérieure à celle d'une centrale nucléaire classique, les déchets auraient de faibles niveaux de rayonnement de courte durée de vie, se désintégrant presque complètement d'ici 100 ans. Les principaux inconvénients de la fusion nucléaire sont les grandes quantités de temps et d'argent qui seront nécessaires avant que l'électricité est produite par fusion Long lived highly radioactive wastes are generated by conventional nuclear plants; these must be safely disposed of and represent a hazard to living things for thousands of years. The radioactive wastes generated by a fusion reactor are simply the walls of the containment vessel which have been exposed to neutrons. Although the quantity of radioactive waste produced by a fusion reactor might be slightly greater than that from a conventional nuclear plant, the wastes would have low levels of short lived radiation, decaying almost completely within 100 years.

32 Où trouver plus d’information
Cember, H., Johnson, T. E, Introduction to Health Physics, 4th Edition, McGraw-Hill, New York (2009) International Atomic Energy Agency, Postgraduate Educational Course in Radiation Protection and the Safety of Radiation Sources (PGEC), Training Course Series 18, IAEA, Vienna (2002)