Chapitre II : Interaction Neutron-
Matière
Chapitre II interaction
Neutron-Matière
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II. Introduction
Le but essentiel du travail à réaliser est de
concevoir un dispositif qui puisse alléger voire arrêter un
faisceau neutronique, provenant d'une source artificielle assez puissante. Ceci
a pour effet d'éviter que ces neutrons atteignent les organes humains et
provoques ainsi des lésions qui peuvent parfois être fatales pour
le personnel exerçant aux alentours de cette source. Donc il apparait
bien qu'un passage théorique sur les modes d'interaction du neutron avec
la matière serait d'une grande utilité pour nous, surtout pour ce
qui est du choix des matériaux qui vont être utilisés pour
la construction du dispositif.
II.1 Définitions et notions
préliminaires
Le neutron est une particule neutre qui compose le noyau des
atomes avec les protons. C'est une particule dont la charge électrique
totale est nulle et la masse est voisine de celle du proton
(1.675×10-27 kg). Il a
été découvert dans l'une des expériences du
chercheur britannique James Chadwick en 1932. Là
où il a bombardé la cible du Béryllium (Be) par des
particules alpha d'un émetteur radioactif. La réaction
nucléaire mise en jeux dans cette expérience peut être
exprimée par :
?? + ?????? ??
?? ???? ?? ? ????
???? + ????
(4)
Figure 2: l'expérience de J. Chadwick
[11].
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Neutron-Matière
11
Alors que le nombre de protons d'un noyau détermine son
élément chimique, le nombre de neutrons
détermine son isotope. Les neutrons
liés dans un noyau atomique sont en général
stables mais les neutrons libres sont instables
: ils se désintègrent en un peu moins de 15
minutes.
j
jn
?? ?
??p
?? + _ ??e (5)
Aussi,
on ne peut aborder le contexte des neutrons et leurs modes d'interaction avec
la matière sans passer par la notion de la classification
énergétique de ceux-ci. En effet, les neutrons sont
généralement classifiés selon leurs énergies
cinétiques. Il existe Plusieurs classifications plus ou moins
semblables. Le tableau suivant nous donne une idée sur le classement
énergétique des neutrons :
catégorie
|
L'énergie cinétique
|
Les neutrons rapides
|
EC > 0.8 MeV
|
Les neutrons épi thermiques
|
1 eV < EC <
0.8 MeV
|
Les neutrons thermiques
|
EC < 1eV
|
|
Tableau 2 : Classement des neutrons selon
leur énergie cinétique [12].
II. 2. Types d'interactions
neutron-matière
Dépendant de la gamme des énergies
considérées, les réactions des neutrons avec la
matière sont souvent classifiées de la manière suivante
:
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Neutron-Matière
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Figure 3 : les types d'interactions neutron-
matière.
II. 2. 1. Diffusions des neutrons
La réaction de diffusion se produit lorsqu'un neutron
vient heurter un noyau au repos. Ce dernier émet un neutron unique qui
peut être diffèrent du neutron initial. La diffusion peut
être élastique ou inélastique et dans les deux cas elle
permet de ralentir les neutrons.
II. 2. 1. a. Diffusion élastique (n,
n)
Dans une réaction de diffusion élastique entre un
neutron et un noyau cible, il n'y a pas d'énergie transmise pour une
excitation nucléaire. Le moment et l'énergie cinétiques
sont conservés.
?? + ???? ??
??n ?? ? ??n
?? + ???? (6)
Figure 4 : Diffusion élastique
[13].
II. 2. 1. b. Diffusion inélastique (n,
n')
Dans une réaction de diffusion inélastique, le
neutron incident est absorbé par le noyau cible pour former un noyau
composé. Ce dernier va se désexciter en émettant un
nouveau neutron moins énergétique, et un photon
ã. La somme de l'énergie cinétique du
neutron émis, celle du noyau cible et de l'énergie du photon
gamma est égale à l'énergie cinétique du neutron
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Neutron-Matière
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incident.
????
?? + ????
?? -- ????'
?? + ??*
?? -- ????'
?? + ????
?? +y (7)
??
Figure 5 : Diffusion inélastique
[13].
Il souligner le fait que durant la diffusion les neutrons
perdent de l'énergie et ralentissent dans la matière. Cet aspect
s'avère être très intéressant dans le contexte de ce
travail. Nous cherchons à ralentir les neutrons à travers un
obstacle physique afin que celui-
ci n'atteigne pas les personnes opérant autour des
sources radioactives. De ce fait, il apparait très clair que
l'utilisation les personnes opérant autour des sources radioactives. De
ce fait, il apparait très clair que l'utilisation des matériaux
diffuseurs de neutrons pour la construction du dispositif est un choix
adéquat à prendre en charge.
II. 2. 2. Absorption des neutrons
La plupart des réactions d'absorption résultent
de la capture d'un neutron accompagnée de l'émission d'une
particule chargée, d'un ou plusieurs neutrons, ou d'un rayonnement
y.
Figure 6 : Réactions d'absorption
[13].
II. 2. 2. a. Réactions de capture radiative
(n, ã)
Lorsqu'un neutron est capturé par un noyau, il
apparaît un noyau composé qui sera dans la plupart du temps dans
un état excité (avec une énergie
supérieure). Lors de la collision inélastique, un
neutron d'une énergie plus faible est expulsé
immédiatement, le noyau reste dans un état excité. A la
place de l'expulsion d'un neutron on peut avoir un noyau composé qui
désintègre par un autre processus. Par exemple, le noyau peut
céder son énergie sous la forme
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d'un rayonnement gamma, ou des particules béta ou alpha,
c'est ce procédé que l'on appelle la capture neutronique ou
absorption neutronique. Ce type d'interaction est fréquent et aura dans
la plupart des cas une plus grande probabilité de se produire pour des
neutrons de basse énergie. ????
?? + ????
?? ? ??*
??+?? ? ??+???? ? ?+ã
(8)
??
II. 2. 2. b. Réactions de transmutation (n,
p) ou (n, á)
Un noyau peut absorber un neutron pour former un noyau
composé qui se désexcitera en émettant une particule
chargée (un proton ou une particule á), et un
élément pouvant être stable, radioactif, ou dans un
état excité. Ces réactions sont dites réactions
à seuils, elles ne se produisent qu'à partir d'une certaine
énergie spécifique au type du noyau cible.
II. 2. 2. c. Réactions de type A (n, xn)
A [x= 2, 3 ...]
Dans le cas où l'énergie des neutrons incidents
supérieures à 10 MeV, la désexcitation du noyau
composé s'effectue par l'émission de deux neutrons ou plus.
?? + ???? ??-(??-??)
(10)
???? ?? ? ?? ????
?? + ????
Ce phénomène de production de neutrons peut
devenir important avec certains noyaux légers ou lourds. Le tableau
ci-dessous indique quelques énergies seuils, relativement faibles, pour
les réactions (n, 2n) :
Noyau
|
D
|
Li
|
Be
|
Bi
|
Th
|
238U
|
E (MeV)
|
3.34
|
6.2
|
1.85
|
7.4
|
6.44
|
6
|
|
Tableau 3 : énergies seuils
réactions (n, 2n). II. 2. 2. d. Réaction de fission (n,
fission)
La fission est la cassure d'un noyau lourd en deux fragments
(en général), avec la production
simultanée de x (entre 2.5 et 3)
neutrons rapides. Pour un certain nombre de noyau N
impair, la fission aura lieu pour les neutrons de faible
énergie (thermiques). C'est le cas de nucléides
235U,
233U, 239Pu, 241Am
dont les trois premiers sont les combustibles utilisés
actuellement dans les réacteurs nucléaires. Pour les autres
noyaux lourds, la fission n'aura lieu que si l'énergie du projectile
dépasse une valeur de seuil. Dans les réacteurs à neutrons
thermiques l'énergie produite par fission est de l'ordre de
200Mev. L'énergie cinétique des fragments de
fission en représente 75% [14].
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Figure 7: La fission d'un noyau d'uranium 235
[15].
Le neutron absorbé apporte son énergie
cinétique, l'énergie mise en jeu par les forces nucléaires
de liaison (cette énergie de liaison du dernier neutron est pour
les noyaux lourds plus faible
que l'énergie moyenne de liaison par
nucléon). Si l'énergie d'excitation ainsi acquise par le
noyau composé est suffisante, on peut avoir une fission, ou
désexcitation par un autre processus (rémission d'un neutron,
éjection d'une particule chargée ou d'un photon Gamma)
[14].
Le mécanisme de cette réaction correspond
à une absorption totale du neutron incident par le noyau. Cette
réaction s'effectue en plusieurs phases. L'absorption du neutron
provoque tout d'abord une excitation résonnante de tous les
nucléons. Puis le noyau se déforme et se scinde en 2
(parfois plus) fragments de fission (autres noyaux).
Quasi simultanément et instantanément à la fission,
2 à 3 neutrons rapides et des photons
gamma sont émis. Ils sont appelés neutrons prompts et gamma
prompts de fission. Enfin, quelques microsecondes à quelques dizaines de
secondes après la réaction de fission, certains produits de
fission émis à l'état excité se désexcitent
par décroissance â- suivie de l'émission de
neutrons dits retardés ou différés.
II. 3. Notion de section efficace
Les interactions décrites lors des paragraphes
précédents ne peuvent être quantifiés qu'en
utilisant des termes spécifiques telle la section efficace. La
donnée fondamentale des interactions neutroniques est donnée par
l'ensemble des probabilités d'interactions des neutrons avec les
différents noyaux. La section efficace est la grandeur
caractéristique de ces probabilités.
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Une section efficace peut être microscopique
(caractéristique d'une cible individuelle), ou
macroscopique (caractéristique d'un matériau contenant un
grand nombre de cibles) [16] :
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