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Réaction en chaîne de fission et réacteurs nucléaires

PhysiquePhysique quantique et nucléaire17–18 ans

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Des neutrons lents provoquent la fission de noyaux d'uranium 235, et chaque fission libère 2 à 3 neutrons. Choisissez l'enrichissement en U-235, le modérateur, l'insertion des barres de contrôle et la taille du cœur pour rendre la réaction en chaîne sous-critique, critique ou surcritique, avec le facteur de multiplication k, un diagramme des neutrons par génération et le bilan du devenir des neutrons. L'écran Réacteur simule un réacteur à eau pressurisée avec caloporteur, puissance, arrêt et chaleur résiduelle ; Énergie calcule E = Δmc² pour une fission et la compare à la fusion ; Combustible usé montre la décroissance des déchets.

Leçon : Fission nucléaire, réaction en chaîne, masse critique, réacteurs nucléaires et fusion

Ce qu’elle montre

Lors de la fission, un neutron lent est absorbé par un noyau d'uranium 235, qui se scinde en deux noyaux plus petits en libérant 2 ou 3 neutrons et environ 200 MeV. Si, en moyenne, exactement un de ces neutrons provoque une nouvelle fission, le facteur de multiplication vaut k = 1 et la réaction est critique ; avec k < 1 elle s'éteint, avec k > 1 elle s'emballe. Un réacteur maintient k = 1 grâce à un combustible enrichi, un modérateur qui ralentit les neutrons, des barres de contrôle qui les absorbent et un cœur assez grand. L'énergie provient d'une perte de masse, E = Δmc².

Mode d’emploi

Dans Réaction en chaîne, choisissez l'Enrichissement en U-235 et le Modérateur, réglez Barres de contrôle insérées et Taille du cœur, puis cliquez sur Tirer 1 neutron ou Tirer 100 neutrons et observez les barres de chaque génération. Dans Réacteur, déplacez les barres, réduisez le Débit du caloporteur ou cliquez sur Arrêt d'urgence (SCRAM). Énergie compare fission et fusion ; Combustible usé montre la décroissance des déchets.

Paramètres modifiables

  • Écran Réaction en chaîne, Réacteur, Énergie, Combustible usé
  • Enrichissement en U-235 0,7 % (naturel), 3 %, 5 %, 20 %, 90 %
  • Modérateur Aucun, Eau, Eau lourde, Graphite
  • Barres de contrôle insérées 0–100 %
  • Taille du cœur (relative) 1–10

Questions à explorer

  1. Pourquoi l'uranium naturel peut-il entretenir une réaction en chaîne avec du graphite ou de l'eau lourde, mais pas avec de l'eau ordinaire ?
  2. Que devient le nombre de neutrons à chaque génération lorsque k est légèrement supérieur à 1 ?
  3. Pourquoi faut-il continuer à refroidir un réacteur après son arrêt ?

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