Pour la première fois, l'effet d'agrégation de neutrons longtemps théorisé dans les réacteurs nucléaires a été démontré, qui pourraient améliorer la sûreté des réacteurs et créer des simulations plus précises, selon une nouvelle étude publiée récemment dans la revue Nature Communications Physique .

"Le phénomène d'agrégation de neutrons était théorisé depuis des années, mais il n'avait jamais été analysé dans un réacteur en fonctionnement, " dit Nicolas Thompson, ingénieur au sein du groupe de technologie nucléaire avancée de Los Alamos. « Les résultats indiquent que, comme la fission des neutrons et créer plus de neutrons, certains continuent à former de grandes lignées de grappes tandis que d'autres meurent rapidement, résultant en ce que l'on appelle des « inclinaisons de puissance », ' ou production d'énergie asymétrique."

La compréhension de ces fluctuations de regroupement est particulièrement importante pour la sécurité et la précision de la simulation, d'autant plus que les réacteurs nucléaires commencent à démarrer. L'étude a été réalisée en 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, construire 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 pair, il peut y avoir des rafales 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, vraisemblablement 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'assez de paris, la certitude statistique que le joueur fera faillite est de 100 pour cent.

Dans les réacteurs nucléaires, de génération en génération, on peut dire que chaque neutron a une chance similaire de mourir ou de se fissurer pour créer plus de neutrons. Selon le concept de ruine du joueur, les neutrons dans un réacteur pourraient alors avoir une chance statistique de s'éteindre complètement à une génération future, même si le système est au point critique.

Ce concept avait été largement étudié dans d'autres domaines scientifiques, comme 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 attendriez à ce que cette théorie soit vraie, " dit Jesson Hutchinson, qui travaille avec le Groupe de technologie nucléaire avancée du Laboratoire. « Vous devriez avoir un système critique qui, alors que la population de neutrons varie d'une génération à l'autre, court une 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 à l'installation critique du réacteur Walthousen 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, y compris le détecteur à matrice de multiplicité de neutrons 3He (NoMAD) développé à Los Alamos, pour retracer 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, un dépérissement complet a été évité dans le petit réacteur en raison de la fission spontanée, ou le fractionnement nucléaire non induit de 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 s'éteindre complètement, et il avait également 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 comme les réglages de la température et de la tige 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. »