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Qu’est-ce que Neutron

Un neutron est l’une des particules subatomiques qui composent la matière. Dans l’univers, les neutrons sont abondants, constituant plus de la moitié de toute la matière visible. Il n’a pas de charge électrique et une masse au repos égale à 1,67493 × 10−27 kg – légèrement supérieure à celle du proton mais presque 1839 fois supérieure à celle de l’électron. Le neutron a un rayon carré moyen d’environ 0,8 × 10−15 m, ou 0,8 fm, et c’est un fermion de spin ½.

Les neutrons existent dans les noyaux d’atomes typiques, avec leurs homologues chargés positivement, les protons. Les neutrons et les protons, communément appelés nucléons , sont liés ensemble dans le noyau atomique, où ils représentent 99,9% de la masse de l’atome. Les recherches en physique des particules à haute énergie au 20e siècle ont révélé que ni le neutron ni le proton ne sont le plus petit élément constitutif de la matière. Les protons et les neutrons ont également leur structure. À l’intérieur des protons et des neutrons, nous trouvons de vraies particules élémentaires appelées quarks . Dans le noyau, les protons et les neutrons sont liés ensemble par la force forte, une interaction fondamentale qui régit le comportement des quarks qui composent les protons et les neutrons individuels.

Une stabilité nucléaire est déterminée par la compétition entre deux interactions fondamentales. Les protons et les neutrons sont attirés l’un par l’autre par une force forte. D’autre part, les protons se repoussent via la force électrique en raison de leur charge positive. Par conséquent, les neutrons dans le noyau agissent un peu comme la colle nucléaire, les neutrons s’attirent et les protons, ce qui aide à compenser la répulsion électrique entre les protons. Il n’y a que certaines combinaisons de neutrons et de protons, qui forment des noyaux stables. Par exemple, le nucléide le plus courant du plomb de l’élément chimique commun (Pb) possède 82 protons et 126 neutrons.

Courbe d'énergie de liaison nucléaire.
Courbe d’énergie de liaison nucléaire.
Source: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

En raison de la force de la force nucléaire sur de courtes distances , l’énergie de liaison nucléaire (l’énergie nécessaire pour démonter un noyau d’un atome en ses composants) de nucléons est plus de sept ordres de grandeur plus grande que l’énergie électromagnétique liant les électrons dans les atomes . Les réactions nucléaires (comme la fission nucléaire ou la fusion nucléaire ) ont donc une densité énergétique supérieure à 10 000 000x celle des réactions chimiques.
La connaissance du comportement et des propriétés des neutrons est essentielle à la production d’ énergie nucléaire . Peu de temps après la découverte du neutron en 1932, on s’est vite rendu compte que les neutrons pouvaient agir pour former une réaction nucléaire en chaîne . Lorsque la fission nucléaire a été découverte en 1938, il est devenu clair que si une réaction de fission produisait des neutrons libres , chacun de ces neutrons pourrait provoquer une réaction de fission supplémentaire dans une cascade connue sous le nom de réaction en chaîne . La connaissance des coupes transversales (le paramètre clé représentant la probabilité d’interaction entre un neutron et un noyau) est devenue cruciale pour la conception des cœurs de réacteur et de la première arme nucléaire (Trinity, 1945).

 

Structure du neutron

Structure en quark du neutron
La structure des quarks du neutron. L’attribution des couleurs des quarks individuels est arbitraire, mais les trois couleurs doivent être présentes. Les forces entre les quarks sont médiées par des gluons.

Les neutrons et les protons sont classés comme hadrons , particules subatomiques qui sont soumises à la force forte et comme baryons car ils sont composés de trois quarks . Le neutron est une particule composite composée de deux quarks descendants à charge −⅓ e et d’un quark ascendant à charge + ⅔ e. Étant donné que le neutron n’a pas de charge électrique nette , il n’est pas affecté par les forces électriques, mais le neutron a une légère distribution de charge électrique en son sein. Il en résulte un moment magnétique non nul (moment dipolaire) du neutron. Par conséquent, le neutron interagit également via une interaction électromagnétique, mais beaucoup plus faible que le proton.

La masse du neutron est de 939,565 MeV / c 2 , alors que la masse des trois quarks n’est que d’environ 12 MeV / c 2 (seulement environ 1% de la masse-énergie du neutron). Comme le proton, la majeure partie de la masse (énergie) du neutron se présente sous la forme de l’énergie de force nucléaire forte (gluons). Les quarks du neutron sont maintenus ensemble par des gluons, les particules d’échange pour la force nucléaire forte. Les gluons portent la charge de couleur de la force nucléaire puissante.

Voir aussi: Structure du neutron

Propriétés du neutron

Les propriétés clés des neutrons sont résumées ci-dessous:

  • Le rayon carré moyen d’un neutron est ~ 0,8 x 10-15 m (0,8 fermi)
  • La masse du neutron est de 939,565 MeV / c 2
  • Les neutrons sont des particules de ½ spin – Statistiques fermioniques
  • Les neutrons sont des particules neutres – pas de charge électrique nette.
  • Les neutrons ont un moment magnétique non nul .
  • Les neutrons libres (à l’extérieur d’un noyau) sont instables et se désintègrent via la désintégration bêta. La désintégration du neutron implique l’interaction faible et est associée à une transformation de quark (un quark down est converti en un quark up).
  • La durée de vie moyenne d’un neutron libre est de 882 secondes (la demi-vie est donc de 611 secondes).
  • Un fond naturel de neutrons de neutrons libres existe partout sur Terre et il est provoqué par des muons produits dans l’atmosphère, où des rayons cosmiques de haute énergie entrent en collision avec des particules de l’atmosphère terrestre.
  • Les neutrons ne peuvent pas provoquer directement l’ ionisation . Les neutrons n’ionisent la matière qu’indirectement.
  • Les neutrons peuvent parcourir des centaines de mètres dans l’air sans aucune interaction. Le rayonnement neutronique est très pénétrant .
  • Les neutrons déclenchent la fission nucléaire .
  • Le processus de fission produit des neutrons libres (2 ou 3).
  • Les neutrons thermiques ou froids ont des longueurs d’onde similaires aux espacements atomiques. Ils peuvent être utilisés dans des expériences de diffraction de neutrons pour déterminer la structure atomique et / ou magnétique d’un matériau.

Voir aussi: Propriétés du neutron

Détection de neutrons

Les neutrons étant des particules électriquement neutres,  ils sont principalement soumis à de fortes forces nucléaires mais pas à des forces électriques. Par conséquent, les neutrons ne sont pas directement ionisants et ils doivent généralement être convertis en particules chargées avant de pouvoir être détectés. En général, chaque type de détecteur de neutrons doit être équipé d’un convertisseur (pour convertir le rayonnement neutronique en rayonnement commun détectable) et de l’un des détecteurs de rayonnement conventionnels (détecteur à scintillation, détecteur gazeux, détecteur à semi-conducteur, etc.).

Convertisseurs à neutrons

À cet effet, deux types fondamentaux d’interactions neutroniques avec la matière sont disponibles:

  • Diffusion élastique . Le neutron libre peut être diffusé par un noyau, transférant une partie de son énergie cinétique au noyau. Si le neutron a suffisamment d’énergie pour disperser les noyaux, le noyau en recul ionise le matériau entourant le convertisseur. En fait, seuls les noyaux d’ hydrogène et d’hélium sont suffisamment légers pour une application pratique. La charge produite de cette manière peut être collectée par le détecteur conventionnel pour produire un signal détecté. Les neutrons peuvent transférer plus d’énergie aux noyaux légers. Cette méthode convient à la détection de neutrons rapides (les neutrons rapides n’ont pas une section efficace élevée pour l’absorption) permettant la détection de neutrons rapides sans modérateur .
  • Absorption des neutrons . Il s’agit d’une méthode courante permettant la détection de neutrons de l’ ensemble du spectre énergétique . Cette méthode est basée sur une variété de réactions d’absorption ( capture radiative , fission nucléaire , réactions de réarrangement, etc.). Le neutron est ici absorbé par le matériau cible (convertisseur) émettant des particules secondaires telles que des protons, des particules alpha , des particules bêta , des photons (rayons gamma) ou des fragments de fission . Certaines réactions sont des réactions de seuil (nécessitant une énergie minimale de neutrons), mais la plupart des réactions se produisent aux énergies épithermale et thermique. Cela signifie que la modération des neutrons rapides est nécessaire, ce qui entraîne une mauvaise information énergétique des neutrons. Les noyaux les plus courants pour le matériau du convertisseur neutronique sont:
    • 10 B (n, α). Lorsque la section efficace de capture des neutrons pour les neutrons thermiques est σ = 3820 barns et que le bore naturela une abondance de 10 B 19,8%.
    • 3 Il (n, p). Lorsque la section efficace de capture des neutrons pour les neutrons thermiques est σ = 5350 barns et que l’hélium naturel a une abondance de 3 He 0,014%.
    • 6 Li (n, α). Lorsque la section efficace de capture des neutrons pour les neutrons thermiques est σ = 925 barns et que le lithium naturel a une abondance de 6 Li 7,4%.
    • 113 Cd (n, ɣ). Lorsque la section efficace de capture des neutrons pour les neutrons thermiques est σ = 20820 barns et que le cadmium naturela une abondance de 113 Cd 12,2%.
    • 235 U (n, fission). Lorsque la section efficace de fission pour les neutrons thermiques est σ = 585 barns et que l’ uranium naturela une abondance de 235 U 0,711%. L’uranium en tant que convertisseur produit des fragments de fission qui sont de lourdes particules chargées. Cela a un avantage significatif. Les particules lourdes chargées (fragments de fission) créent un signal de sortie élevé, car les fragments déposent une grande quantité d’énergie dans un volume sensible au détecteur. Cela permet une discrimination facile du rayonnement de fond (rayonnement gamma ei). Cette caractéristique importante peut être utilisée par exemple dans unemesure de puissance de réacteur nucléaire , où le champ neutronique est accompagné d’un fond gamma important.

Voir aussi: Détection de neutrons

Sources de neutrons

Une source de neutrons est un appareil qui émet des neutrons . Les sources de neutrons ont de nombreuses applications, elles peuvent être utilisées dans la recherche, l’ingénierie, la médecine, l’exploration pétrolière, la biologie, la chimie et l’énergie nucléaire . Une source de neutrons se caractérise par un certain nombre de facteurs:

  • Importance de la source
  • Intensité. Le taux de neutrons émis par la source.
  • Distribution d’énergie des neutrons émis.
  • Distribution angulaire des neutrons émis.
  • Mode d’émission. Fonctionnement continu ou pulsé.

Classification selon l’importance de la source

  • Grandes sources de neutrons (importantes)
    • Réacteurs nucléaires . Il existe des noyaux qui peuvent subir spontanément la fission, mais seuls certains noyaux, comme l’uranium 235, l’uranium 233 et le plutonium 239, peuvent soutenir une réaction en chaîne de fission. En effet, ces noyaux libèrent des neutrons lorsqu’ils se séparent, et ces neutrons peuvent induire la fission d’autres noyaux. L’uranium 235, qui existe comme 0,7% de l’uranium naturel subit la fission nucléaireavec des neutrons thermiques avec la production, en moyenne, de 2,4 neutrons rapides et la libération de ~ 180 MeV d’énergie par fission. Les neutrons libres libérés par chaque fission jouent un rôle très important en tant que déclencheur de la réaction, mais ils peuvent également être utilisés à d’autres fins. Par exemple: un neutron est nécessaire pour déclencher une nouvelle fission. Une partie des neutrons libres (disons 0,5 neutrons / fission) est absorbée dans d’autres matériaux, mais un excès de neutrons (0,9 neutrons / fission) est capable de quitter la surface du cœur du réacteur et peut être utilisé comme source de neutrons.
    • Systèmes de fusion. La fusion nucléaire  est une réaction nucléaire dans laquelle deux ou plusieurs noyaux atomiques (par exemple D + T) entrent en collision à une énergie très élevée et fusionnent ensemble. Votre sous-produit de la fusion DT est un neutron libre (voir photo), donc la réaction de fusion nucléaire a également le potentiel de produire de grandes quantités de neutrons.
    • Sources de spallation. Une source de spallation est une source de neutrons à haut flux dans laquelle des protons qui ont été accélérés à de hautes énergies frappent un matériau cible lourd, provoquant l’émission de neutrons. La réaction se produit au-dessus d’un certain seuil d’énergie pour la particule incidente, qui est généralement de 5 à 15 MeV.
  • Sources de neutrons moyens
    • Bremssstrahlung de Electron Accelerators / Photofission. Les électrons énergétiques, lorsqu’ils sont ralentis rapidement dans une cible lourde, émettent un rayonnement gamma intense pendant le processus de décélération. Ceci est connu sous le nom de Bremsstrahlung ou rayonnement de freinage. L’interaction du rayonnement gamma avec la cible produit des neutrons via la réaction (γ, n) ou la réaction (γ, fission) lorsqu’une cible fissile est utilisée. e- → Pb → γ → Pb → (γ, n) et (γ, fission). L’énergie Bremsstrahlung γ dépasse l’énergie de liaison du «dernier» neutron dans la cible. Une intensité de source de 10 13 neutrons / seconde produite en impulsions courtes (c’est-à-dire <5 μs) peut être facilement réalisée.
    • Concentration en plasme dense. Le foyer de plasma dense (DPF) est un appareil connu comme une source efficace de neutrons provenant des réactions de fusion . Le mécanisme du foyer de plasma dense (DPF) est basé sur la fusion nucléaire de plasma de courte durée de deutérium et / ou de tritium. Cet appareil produit un plasma de courte durée de vie par compression électromagnétique et accélération qui est appelée pincement . Ce plasma est pendant la pincée suffisamment chaud et dense pour provoquer la fusion nucléaire et l’émission de neutrons.
    • Accélérateurs d’ions légers. Les neutrons peuvent également être produits par des accélérateurs de particules utilisant des cibles de deutérium, de tritium, de lithium, de béryllium et d’autres matériaux à faible Z. Dans ce cas, la cible doit être bombardée de noyaux accélérés d’hydrogène (H), de deutérium (D) ou de tritium (T).
  • Petites sources de neutrons
    • Générateurs de neutrons. Les neutrons sont produits lors de la fusion du deutérium et du tritium dans la réaction exothermique suivante. 2 D + 3 T → 4 He + n + 17,6 MeV . Le neutron est produit avec une énergie cinétique de 14,1 MeV. Cela peut être réalisé à petite échelle en laboratoire avec un modeste accélérateur de 100 kV pour les atomes de deutérium bombardant une cible de tritium. Des sources de neutrons continues de ~ 10 11 neutrons / seconde peuvent être obtenues relativement simplement.
    • Source de radio-isotopes – réactions (α, n). Dans certains isotopes légers, le «dernier» neutron du noyau est faiblement lié et est libéré lorsque le noyau composé s’est formé à la suite de la décomposition du bombardement des particules α. Le bombardement du béryllium par les particules α conduit à la production de neutrons par la réaction exothermique suivante:  4 He + 9 Be → 12 C + n + 5,7 MeV. Cette réaction donne une faible source de neutrons avec un spectre d’énergie semblable à celui d’une source de fission et est utilisée de nos jours dans les sources de neutrons portables.  Le radium, le plutonium ou l’américium peuvent être utilisés comme émetteur α.
    • Source de radio-isotopes – réactions (γ, n). Les réactions (γ, n) peuvent également être utilisées dans le même but. Dans ce type de source, en raison de la plus grande portée du rayon γ, les deux composants physiques de la source peuvent être séparés permettant de «  désactiver  » la réaction si nécessaire en retirant la source radioactive du béryllium. Les sources (γ, n) produisent des neutrons monoénergétiques contrairement aux sources (α, n). La source (γ, n) utilise de l’antimoine-124 comme émetteur gamma dans la réaction endothermique suivante.

124 Sb → 124 Te + β− + γ

γ + 9 Be → 8 Be + n – 1,66 MeV

    • Source de radio-isotopes – fission spontanée . Certains isotopes subissent une fission spontanée avec émission de neutrons. La source de fission spontanée la plus couramment utilisée est l’isotope radioactif californium-252 . Le Cf-252 et toutes les autres sources de neutrons à fission spontanée sont produits en irradiant de l’uranium ou un autre élément transuranien dans un réacteur nucléaire, où les neutrons sont absorbés dans la matière de départ et ses produits de réaction ultérieurs, transmutant la matière de départ en isotope SF.

Voir aussi: Sources de neutrons

Voir aussi: Neutrons de source

 

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Cet article est basé sur la traduction automatique de l’article original en anglais. Pour plus d’informations, voir l’article en anglais. Pouvez vous nous aider Si vous souhaitez corriger la traduction, envoyez-la à l’adresse: [email protected] ou remplissez le formulaire de traduction en ligne. Nous apprécions votre aide, nous mettrons à jour la traduction le plus rapidement possible. Merci