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Matériaux dans le nucléaire : He

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Bonjour à tous,

Avec ce billet, je compte continuer l’exploration de l’utilisation des élèments dans le domaine du nucléaire, afin de montrer la richesse des applications, et que tous les élèments ou presque ont un rôle à jouer. Ce billet suit celui-ci, qui présentait l’hydrogène. Maintenant, au tour de l’hélium !

Désintégration alpha et autres réactions

Commençons par parler des sources principales d’hélium dans le combustible nucléaire. Il y en a trois principale, qui en produisent peu ou prou la même quantité (pour un combustible UO2):

  • les fissions ternaires : parfois, les noyaux d’actinides ne produisent pas seulement deux atomes en fissionnant, mais trois. Dans ce cas, il est fréquent que l’un de ces trois atomes soit de l’hélium.
  • Les réactions $(n,\alpha)$ sur l’oxygène : l’oxygène présent dans le combustible (de l’oxyde d’uranium dans la majorité des réacteurs commerciaux) peut subir une réaction qui produit un noyau d’hélium, aussi appelé une particule alpha.
  • les désintégrations alpha : certains noyaux instables vont émettre une particule $\alpha$ pour essayer de se stabiliser.

Pour plus de détails sur la dernière source, vous pouvez aller lire l’excellent tuto de Gabbro.

Remplissage de la gaine

Entre les pastilles de combustible et la gaine, il y a un espace, qui est le plus souvent rempli d’hélium. Le but est multiple, mais principalement de transférer la chaleur produite vers l’extérieur du crayon. Un autre but est d’empêcher la gaine de s’effondrer sur elle-même à cause de la pression de l’eau en dehors.

Cet helium est en partie absorbé par le combustible au début du cycle de vie du crayon, mais après les premiers mois d’irradiation, il est considéré intégralement relâché.

Une partie de l’hélium produit par les mécanismes décris dans la section précédente va aussi se retrouver à l’extérieur du combustible mais à l’intérieur de la gaine.

Gonflement et relâchement

L’hélium dans le combustible va souvent former de très petites bulles (quand il n’est pas relâché). Ces bulles vont conduire à un gonflement du matériau, qu’il faut pouvoir estimer le plus précisément possible. Le comportement de l’hélium (et du xénon) dans les oxides d’uranium était et est toujours un sujet très étudié. La partie théorique de ces études commencent souvent à l’échelle atomique, avec la théorie de la fonctionelle de la densité, et utilisent les résultats pour d’autres méthodes (rate theory, kinetic monte carlo, molecular dynamics, etc…).

Prédire correctement le gonflement et le relâchement va permettre d’optimiser les conditions d’irradiation, et de peut-être rendre le combustible plus économique (si c’était le facteur limitant).

Composition de la gaine

Non, on ne va pas mettre de l’hélium directement dans la gaine. Mais vous vous rappelez des réactions $(n,\alpha)$ dont on a parlé plus tôt ? Autant dans le combustible, c’est un moindre mal, autant dans la gaine, on va vraiment essayer d’éviter. Du coup, comme la section efficace (probabilité de se produire, en très gros) du nickel pour cette réaction augmente avec l’énergie du neutron, on va essayer d’éviter d’en mettre dans les réacteurs à neutrons rapides ou dans les futurs réacteurs à fusion. Sauf bien sûr si les avantages sont suffisants pour passer outre ce problème.


Voilà, c’est tout pour ces quelques exemples. Encore une fois, la liste n’est bien sûr pas complète. Et très peu de détails sont donnés, n’hésitez pas à en demander plus sur un point particulier en commentaire.

Sinon, trouvez-vous un interêt à ce genre de billet ? Je ne sais vraiment pas si je devrais continuer. Je les trouve un peu trop superficiels pour être utiles, mais ils peuvent quand même être informatifs. Dîtes-moi !

3 commentaires

Un truc fun c’est que la section efficace de l’He4 est 0 barns (l’unique élément je pense qui a cette section efficace). Du coup ça change absolument rien d’avoir de l’hélium (ça thermalise un peu mais par rapport à l’hydrogène pas grand chose !)

Et ce qui est marrant c’est que le He3 à par contre une section efficace de capture très élevée (5300barns) il faut ensuite aller chercher directement parmi les éléments très lourd pour trouver des trucs équivalents (en élément stable j’entends !). Le He3 est très utilisé dans les détecteurs à neutrons. Mais de moins en moins (car il est de plus en plus chère entre autre…)

Édité par Vael

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Je ne savais pas pour l’He-4, juste que c’était bas. Du coup, j’ai été regarder les données pour la section efficace des neutrons (toutes les réactions) sur He-4 (en haut) et He-3 (en bas). Il y a quand même quelques énergies de neutron pour lesquelles las ection n’est pas 0 (et même toute la partie où on dirait que c’est 0, c’est entre 0.75 et 1.25). Je ne cherche pas à te contredire, c’est ridiculement bas et considèrent toutes les réactions. Juste quelques détails en plus :)

He-4 total
He-3 total

Je parlais de section efficace de capture. :p La tu dois avoir capture + cohérent scattering et inchoerent scattering je pense non ? (c’est pour ça que je disais que ça thermalise un peu, bien que ce soit beaucoup moins thermalisant que l’hydrogène !)

(En faite je le sais car on fais se balader des neutrons dans de l’hélium superfluide, dc He4 quasi pur du coup et on peut les conserver longtemps mais si par malheur y a un peu de he3 qui s’introduit… catastrophe ^^ )

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